Ciencias de los Materiales

Tema 1. Estructuras Cristalinas

Tema 2. Metales

Tema 3. Polímeros

Tema 4. Cerámicos

Tema 5. Compuestos

Tema 1. Estructuras Cristalinas

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

       La estructura cristalina es la forma sólidos de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografia es el estudio científico de los cristales y su formación.

Son granos pequeños y no son observables claramente. En minerales traslucidos se pueden apreciar mejor.

Ejemplos: celestita(SrSO4) pirita(FeS2) amatista(SIO2)ara modificar.

LAS CELDAS ESPECIALES Y LA CELDA UN ITARIA

En los materiales cristalinos, las partículas componentes muestran un ordenamiento regular que da como resultado un patrón que se repite en las tres dimensiones del espacio, y a lo largo de muchas distancias atómicas. Los sólidos cristalinos poseen internamente un orden de largo alcance. La situación en un cristal es tal que el entorno de un determinado tipo de átomo siempre es el mismo (los mismos átomos vecinos y a idénticas distancias).

Ejemplos: metales aleaciones y algunos materiales cerámicos

En los materiales amorfos, los átomos siguen un ordenamiento muy localizado, restringido a pocas distancias atómicas y que, por tanto, no se repite en las tres dimensiones del espacio. Se habla de un orden local o de corto alcance.c aquí para modificar.

SISTEMAS CRISTALINOS Y REDES BRAVAIS

Se necesitan siete tipos diferentes de celdas unitarias para crear todas las redes.

Cuatro tipos básicos:

·                    Sencilla

·                    Centrada en el cuerpo

·                    Centrada en las caras

·                    Centrada en las bases

En el sistema cubico hay tres tipos de celdas unitarias:    

·                    cubica sencilla

·                    cubica centrada en el cuerpo

·                    cubica centrada en las caras

En el sistema ortorrómbico se encuentran las cuatro.

·                    Sencilla

·                    Centrada en el cuerpo

·                    Centrada en las caras

·                    Centrada en las bases

En el sistema tetragonal solo dos.

·                    Simple

·                    Centrada en el cuerpo

CLASIFICACIÓN DE REDES ESPACIALES PARA SISTEMAS CRISTALINOS

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ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BBC)

  Estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo (BBC)En esta celda unidad las esferas solidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican sus posiciones relativas.

En esta celda unidad el átomo central está rodeado de ocho vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de dos átomos por celda unidad.para modificar.

Las esferas representan los puntos en donde están colocados los átomos e indican claramente sus posiciones relativas.

Se encuentra rodeada de ocho vecinos próximos, cada una de estas celdas tiene el equivalente a dos átomos por celda unitaria.

  ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC)

En esta celda unitaria hay un átomo en cada vértice el cubo y uno en el centro de cada cara.

Indica que los átomos de esta estructura cristalina están empleados tan juntos cómo es posible, tiene  un equivalente de cuatro átomos por celda unitaria.

ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA (HCP)

Los átomos ocupan los vértices de un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternos en que puede descomponerse la sección intermedia del prisma.

POSICIONES DEL ATOMO EN LAS CELDAS UNITARIAS

La estructura cristalina exige que muchos metales tengan un celdilla unidad de geometría cubica con los átomos localizados en los vértices del cubo y en las caras del cubo.

A la arista del cubo, se le llama parámetro de red y es una propiedad de la celda unitaria, el parámetro de red se simboliza por 

El sistema cubico posee tres estructuras cristalinas:

·                    Estructura de red cubica simple (CS)

·                    Estructura cubica centrada en el cuerpo (BCC)

·                    Estructura cubica centrada en la cara (FCC)

En el interior de un sólido cristalino existe una estructura cristalina formada por una red espacial, en cada punto de la cual se sitúa grupos de átomos idénticos en composición y orientación.

La geometría de la red espacial debe permitir que se llene todo el espacio de átomos sin dejar huecos.

Para identificar los diferentes planos y direcciones en un cristal se usan los Índices de Miller (para direcciones hkl)

INDICES DE MILLER 

 La aplicación de un conjunto de reglas conduce a la asignación de estos índices; un conjunto de números que cuantifican los cortes y que solo pueden usarse para identificar un plano o una superficie.

El siguiente procedimiento solo sirve para el sistema cubico:

 Paso1: identificar las intersecciones con los ejes X, Y, Z

Paso2: especificar los cortes en coordenadas fraccionarias. Las coordenadas se convierten en fraccionarias dividiéndolas por la dimensión de la celda unidad.

Paso3: obtener los recíprocos de las coordenadas fraccionarias. Este paso final genera los Índices de Miller que, por convención, han de especificarse sin estar separados por comas. Los índices se encierran entre paréntesis cuando se especifica una única superficie.

PLANOS CRISTALOGRAFOS Y DIRECCIONES EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA Y EXAGONAL

Los índices de los planos cristalinos HCP, llamados Índices Miller- bravais, se indican por las letras h, k, i, l y van encerrados en paréntesis.

Estos índices se basan en el sistema de coordenadas de cuatro ejes

Planos basales:

En la celda unitaria HCP los planos basales son muy importantes para esta celda unitaria.

PLANOS DE PRISMA

Aplicando el mismo método las intersecciones del plano frontal del prisma de la figura son.

Índices en dirección en las celdas HCP

En esta celdas las direcciones se indican habitualmente por cuatro índices u, v, t, w encerrados entre corchete [ ]. Los  índices u, v, t son los vectores de la red en las direcciones respectivas y el índice w es una red en el vector reticular en la dirección.

Comparación de las estructuras cristalinas FCC HCP y BCC

Estructuras FCC y HCP

Las estructuras cristalinas HCP y FCC son estructuras compactas. Esto es, sus átomos, se consideran aproximadamente como esferas, están empaquetados lo más justo posible de forma que se alcanza un factor de empaqueta miento de 0.74 

DIRECCIONES Y PLANOS EN LAS CELDAS HEXAGONALES

1.           Cálculos de la densidad volumétrica, planar y lineal de las celdas unitarias

2.           Densidad volumétrica

3.           Obteniendo por análisis la difracción de rayos X se obtiene un valor de las densidad volumétrica del metal, aplicando la ecuación:

Densidad volumétrica de un metal=(masa/(celda unitaria))/volumen/(celda unitaria)

4.           Densidad atómica planar

5.           Es importante determinar la densidad atómica en varios planos cristalinos, para ello se calcula una cantidad llamada densidad atómica planar, aplicando la relación.densidad atómica planar = P = (número equivalente de átomos cortados por el área seleccionada) / (área seleccionada)

6.           Densidad atómica lineal

7.           Es importante determinar la densidad atómica de varias direcciones en las estructuras cristalinas, para ello se calcula una magnitud llamada densidad atómica lineal a partir de la relación:

Densidad atómica lineal = 1 = (número de diámetros atómicos cortados por la longitud seleccionada por la línea en la dirección de interés) / (longitud seleccionada de la línea)

ANALISIS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Fuentes de rayos X

Los rayos X utilizados en la difracción son radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda entre 0.05 a 0.25nm.

Cuando el filamento del cátodo de volframio se calienta, se liberan electrones por emisión termoiónica y se aceleran a través del vacío debido a la gran diferencia de voltaje entre el cátodo y el ánodo aumentando su energía cinética.

Difracción de rayos X

CONDICIONES GEOMETRIICAS NECESARIAS PARA QUE SE PRODUSCAN RAYOS DIFRACTADOS O REFORZADOS DE LOS RAYOS X REFORZADOS

Considere un rayo de luz monocromático que incide en un cristal.

Se sustituyen los planos cristalinos de los centros atómicos de dispersión por los planos cristalinos que actúan como espejo reflejando el haz incidente de rayos X.

ANALISIS POR DIFRACCION DE RAYOS X DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Método de análisis de polvo por difracción de rayos X

En esta técnica se utiliza una muestra pulverizada de muchos cristales para que tenga lugar una orientación al azar y asegurar que algunas partículas estarán orientadas en el haz de rayos X para que cumplan las condiciones.

Condiciones de difracción para las celdas unitarias cubicas

Las técnicas de difracción de rayos X permiten determinar las estructuras de los sólidos cristalinos.

Para emplear la difracción de rayos X deberá conocerse cuales planos cristalinos son planos de difracción para cada tipo de estructura cristalina.

Materiales amorfos ( no cristalinos)

Se denominan asi porque carecen de ordenamiento de largo alcance en su estructura atómica.

Tiene una tendencia a alcanzar un estado cristalino debido a que es el estado mas estable y corresponde al menor nivel de energía.

Ocupan posiciones espaciales aleatorias.

 

A velocidades de enfriamiento tan altas, los átomos sencillamente no tienen tiempo suficiente para formar una estructuran cristalina y en lugar de ello forman un metal con estructura amorfa (desordenados).Los materiales amorfos tienen propiedades superiores

·                    Los vidrios metálicos tienen mayor resistencia

·                    Mejores características de corrosión

·                    Propiedades magnéticas

Asignación corte 1

1.- Realizar un trabajo sobre las estructuras BCC, FCC y HCP donde se amplié su definición, características y cálculos básicos sobre la constante de red (a) y el factor de empaquetamiento (APF) de estas estructuras.

2.-Realizar una reflexión de un máximo de una (1) página sobre el material adjunto sobre el tema 1.