TEMA 7: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

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1 PERIODO TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TEMA 7: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES El átomo: Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas (protones, neutrones y electrones). Los átomos se unen entre sí para formar materiales mediante enlaces La clasificación que se puede hacer de los materiales, es en función de cómo es la disposición de los átomos que lo forman. Si estos átomos se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino Si los átomos se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino o amorfo. Tabla periódica: Los elementos se agrupan en la tabla periódica según la estructura electrónica de sus átomos. GRUPO No metales Metales ligeros Metales de transición Gases nobles Metales de bajo punto de fusión Semimetales Halógenos Todos los elementos que pertenecen a un grupo (columnas verticales) tienen el mismo número de electrones en la última capa, y por ello, tienen propiedades similares entre sí. Las filas horizontales de la tabla periódica se llaman períodos, y cada periodo corresponde con el nivel de energía en el que se colocan los electrones Tipos de materiales Por conveniencia la mayoría de los materiales en ingeniería están divididos en: metálicos, cerámicos, polímeros y electrónicos. Materiales metálicos: se forman por la unión de átomos entre dos metales o un metal con un no metal. 1

2 Se produce una atracción de sus núcleos y los electrones de la última capa se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los núcleos. Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse. - Dúctiles y maleables. - Buenos conductores del calor y la electricidad - Insolubles en general - Brillo metálico. - Opacos Ejemplos: Aceros, aluminios, cobres, titanio, hierro, estaño, aleaciones, etc. Materiales cerámicos: son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico (no proceden de células animales o vegetales). Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o el caolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces. - Buenos aislantes - Temperatura de fusión muy elevada - Muy resistentes a los esfuerzos. - Duros u frágiles - No oxidables Ejemplos: arcilla, loza, ladrillos, porcelana Polímeros: son sustancias químicas sintéticas, que puede ser moldeados mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Provienen del petróleo y gas natural. - Poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones - Resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. - Aislantes térmicos, eléctricos y acústicos. - Fáciles de trabajar y moldear, - Baja densidad, - Suelen ser impermeables, Ejemplos: PVC, polipropileno, metacrilato, naylon, neopreno, caucho,.. Materiales electrónicos: están compuestos de sustancias inorgánicas en base al silicio y germanio. - Son semiconductores, dependiendo su conductividad de diversas condiciones externas (presión, luz, temperatura,..) Ejemplos: diodos, transistores, chips, 2

3 Estructuras cristalinas Solido amorfo y sólido cristalino: En un sólido amorfo las partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. Sistemas cristalinos Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial. Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales: - BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo. - FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara. - HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo. Alotropía: Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos. Ejemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero cuando está a temperaturas entre 912ºC y 1394ºC cristaliza n el FCC. El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante) o colocarse en capas superpuestas formando hexágonos regulares (grafito) Constantes en las estructuras cristalinas: los datos más importantes de cada una de las estructuras cristalinas son: - Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde. - Constante reticular: es la arista a de la celda unitaria. Se expresa en función del radio atómico - Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo. El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene. - Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número de Avogadro (NA = 6, ). Nº m. m atómica (g/mol) N ( at / mol) átomos A 3

4 a a TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz BCC: cúbica centrada en el cuerpo n: nº de átomos celda unidad. 1 n Índice de coordinación: i =8 El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central. 4 R a 3 Ejemplo: Temperatura ambiente: Fe. FCC: cúbica centrada en las caras. n : nº de átomos celda unidad. 1 1 n Índice de coordinación: i =12. Tiene un índice de coordinación de 12, correspondiente a los átomos de los centros de las caras 4 R a 2 Ejemplo: Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al Estado alotrópico del hierro: 912ºC<T<1394ºC. HCP: Hexagonal compacta a n = nº de átomos celda unidad. 1 1 n Índice de coordinación: i =12. Tiene 12 de I.C. (átomos de los centros de las bases). a 2R Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti. 4

5 Otras fórmulas: Volumen de un átomo (esfera) = Se puede considerar el volumen de una esfera como 2/3 del volumen del cilindro circunscrito a la esfera. Factor de empaquetamiento atómico (FEA), es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad. Cuasicristales Un cuasicristal es una forma estructural que es ordenada pero no periódica, es decir, no se puede construir mediante la repetición de una celda unidad. El método tradicional para su crecimiento se basa en el enfriamiento rápido de metales fundidos, de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondiente a los sólidos cristalinos Los cuasicristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio, cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como recubrimientos protectores antiadherentes. 5