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PRIMERA SEMANA

Los materiales de ingeniería y la importancia de su selección en

proyectos industriales. La familia de los materiales Características.

La celda unitaria, tipos y características

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LOS MATERIALES DE INGENIERIA

OBJETIVODiscriminar los materiales de uso en ingeniería, sus características, formas paramodificar, sus aplicaciones y métodos de selección.

1.1 INTRODUCCIONTodos los ingenieros tienen que ver con materiales, de manera cotidiana enmanufactura y procesamientos, y en el diseño y construcción de componenteso de estructuras. Deben seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallasde los mismos.

Deben tomarse una diversidad de decisiones importantes al seleccionar losmateriales a incorporar en un diseño, incluyendo si los materiales pueden sertransformados de manera consistente en un producto, con las toleranciasdimensionales correctas y si pueden mantener la forma correcta durante suuso. También, si las propiedades requeridas se pueden conseguir y mantenerdurante el uso: si el material es compatible con otras partes de un ensamble ypuede fácilmente unirse a ellas; por otro lado, considerar que pueda reciclarsefácilmente y observar si el material o su fabricación puede causar problemasecológicos. Finalmente, si puede convenirse de manera económica en uncomponente útil.

Es de vital importancia para el ingeniero industrial, de mantenimientomecánico, o cualquier ingeniería en general, reconocer todos los tipos demateriales disponibles, a comprender su comportamiento general y suscapacidades, y a reconocer los efectos del entorno y las condiciones deservicio sobre su desempeño en la ingeniería. Esta comprensión es necesariapara ser capaz de participar en el diseño de componentes, sistemas yprocesos confiables y económicos que utilicen el amplio espectro de losmateriales.

1.2 MATERIALES DE INGENIERIALos materiales son las sustancias que componen cualquier cosa oproducto .Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con laenergía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Comolos productos están fabricados a base de materiales , estos se encuentran encualquier parte alrededor nuestro .Los más comúnmente encontrados sonmadera , hormigón , ladrillo , acero , plástico , vidrio , caucho , aluminio, cobrey papel . Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar asu alrededor para darse cuenta de ello. Debido al progreso de losprogramas de investigación y desarrollo , se están creando continuamentenuevos materiales.

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La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hastaconvertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante denuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productosfacturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que laproducción necesita materiales , los ingenieros deben conocer de laestructura interna y propiedad de los materiales , de modo que sean capacesde seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces dedesarrollar los mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevosmateriales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Losingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o losnuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces elproblema surge de modo inverso: los ingenieros de diseño tienen dificultadesen un diseño y requieren que sea creado un nuevo material por parte de loscientíficos investigadores e ingenieros.

1.3 EL CICLO DE LOS MATERIALESEn el mundo se produce una enorme inversión en desarrollo científico y de laingeniería para la explotación de los recursos materiales. Una muy buenaforma de visualizar los alcances de esta actividad, es considerar el ciclo totalde los materiales mostrado en la Figura 1.1. La tierra es la fuente de todos losrecursos que pueden extraerse (minería, perforación, desarrollados,cosechados, etc.).

Estos materiales sin tratamiento (minerales, petróleo, plantas, etc.) deben sersometidos a un primer nivel de procesamiento, que involucra la extracción,refinamiento y purificación. Cantidades voluminosas de metales, químicos,fibras y otros materiales están después disponibles para procesos adicionalesque los transformarán en los así llamados materiales de ingeniería tales comoaleaciones, cerámicos y polímeros.

En la conversión de los materiales a granel (sin tratamiento) en materiales deingeniería, nosotros le otorgamos a estos un valor agregado. Los materiales agranel de bajo costo, en formas relativamente simples (i.e.: lingotes, polvos), ygrandes cantidades, son transformados en productos de mayor costo, quetienen composiciones más deseables, o mayores niveles de pureza, o formasmás convenientes. Posteriormente son necesarios procesos adicionales,manufactura, y operaciones de armado, a fin de obtener los productos finalesen la forma en que los usamos, (automóviles, computadoras, artículosdeportivos, etc.). En esta etapa también se le agrega al producto un valor,generalmente de magnitud considerable.

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Estos bienes son utilizados hasta que se vuelven inútiles debido adegradación o falla (corrosión, falla mecánica etc.), o se tornan obsoletosdebido a la aparición de modelos nuevos, más eficientes, y probablementemás baratos. En este momento son desechados como chatarra. En el pasadopasaban a formar parte de algún basurero, completando el ciclo. Actualmente,hay una tendencia creciente al reciclado de estos artículos desechados, a finde extraer los materiales con valor residual contenido en los deshechos. Estono es solo rentable desde el punto de vista económico, sino que también esimperativo a fin de preservar el medio ambiente.

Cortocircuitar el ciclo total de los materiales por medio del reciclado no esnuevo. Esto ha sido práctica normal desde la antigüedad, para el caso de losmetales preciosos y de varios siglos para el caso de aleaciones de cobre y deacero. El lado derecho de la Figura 1.1 define el campo principal de la cienciae ingeniería de materiales.

FIGURA 1.1EL CICLO DE LOS MATERIALES

1.3 ESTUDIO DE LOS MATERIALESEl estudio de los materiales se aborda de la manera siguiente:1. Estudio de la estructura de los materiales

Se intenta comprender cómo están constituidos los materiales. Paralograr esa comprensión, la estructura de los materiales se analizadesde los siguientes enfoques: Estructura atómica. Se estudia cómo están formados los

átomos que forman a los materiales.

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Estructura cristalina. Los diversos átomos que forman almaterial se agrupan entre sí cuando el material está en estadosólido. Dependiendo de la forma o patrón como se agrupen losátomos, se tiene lo siguiente:i. Materiales cristalinos. Los átomos se agrupan siguiendo

patrones de ordenamiento definidos. A los conjuntos deátomos agrupados de manera regular y ordenada se lesllama cristales. A un material cuyos átomos formancristales se le llama material cristalino.

ii. Materiales amorfos. Sus átomos no siguen ningún patróncuando forman al material. Todos los átomos seencuentran colocados al azar.

iii. Materiales semicristalinos. El material posee zonascristalinas (los átomos están ordenados siguiendo unpatrón regular) y zonas amorfas (los átomos seencuentran colocados de manera desordenada).

Microestructura. Los materiales están formados por una grancantidad de cristales y/o zonas amorfas. Un material cristalinopuede estar formado por varios cristales los cuales difieren entresí en sus propiedades físicas. Al conjunto de cristales (o zonasamorfas) que presentan las mismas características se les llamafases. La microestructura se define como el conjunto de fasesque forman al material.

2. Estudio de las propiedades de los materiales. Las propiedades delos materiales dependen principalmente de su estructura atómica, suestructura cristalina y su microestructura. Las propiedades del materialson conceptos que permiten cuantificar el comportamiento o la reaccióndel material ante estímulos externos. Las propiedades puedenclasificarse de la siguiente manera: Propiedades físicas. Ejemplos de propiedades físicas son el

color (cómo se comporta el material ante la luz visible), el peso(cómo se comporta el material ante la gravedad), la resistenciaeléctrica (cómo se comporta el material ante una corrienteeléctrica), etc.

Propiedades químicas. Describen cómo se comporta elmaterial ante el contacto con sustancias químicas. Para nuestroestudio, las propiedades químicas más relevantes tienen que vercon la corrosión y degradación de los materiales.

Propiedades mecánicas. Describen cómo se comporta elmaterial cuando se le aplican fuerzas externas.

3. Estudio de la relación entre la estructura y las propiedades. Laspropiedades que posea un material dependen en general de su

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estructura. Por ejemplo, el módulo de elasticidad de un materialdepende de la forma como se comporta el enlace químico que une asus átomos (estructura atómica). Ciertas propiedades magnéticas delos materiales dependen de la estructura cristalina. Por ejemplo, elhierro con cierta estructura cristalina es capaz de ser atraído por unimán (propiedad llamada magnetismo). El mismo hierro (los mismosátomos) pero con una estructura cristalina diferente (un material puedetener varias estructuras cristalinas totalmente distintas entre sí. A esefenómeno se le llama polimorfismo) no puede ser atraído por un imán(no posee magnetismo). Las propiedades mecánicas dependendirectamente de la microestructura que tenga el material. La Ciencia delos Materiales se dedica a estudiar el vínculo entre la estructura (entodos sus niveles) y las propiedades.

4. Estudio del procesamiento de los materiales. Los materiales seutilizan para hacer cosas. Durante el proceso de manufactura de esascosas, es muy común cambiar la forma geométrica del material. Esosprocesos de cambio de geometría llevan asociados cambios en laspropiedades de los materiales. La Ciencia de los Materiales tambiénestudia el vínculo entre las propiedades y los procesos de manufactura.Para ilustrar mejor esta idea, considere el ejemplo del rolado de unapieza. El proceso de rolado (también se le llama laminado) permitefabricar láminas metálicas. El proceso consiste en hacer pasar unapieza de metal de cierto espesor entre dos rodillos que giran. Ladistancia de separación entre los rodillos giratorios es menor que elespesor de la pieza de tal forma que ésta es aplastada al pasar entre elespacio que separa a los rodillos, reduciéndose su espesor. El procesode rolado se repite varias veces en una pieza hasta convertirla en unalámina. En la Figura 1.2 a continuación se muestra un tren delaminación sencillo.

FIGURA 1.2TREN DE LAMINACION

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La estructura del material cambia a causa del proceso de rolado tal como seilustra a continuación:

FIGURA 1.3TREN DE LAMINACION

1.4 CLASIFICACION DE LOS MATERIALESLos materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales,cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Losmateriales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedadesdistintas.

1.4.1 MATERIALES METALICOSEstos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas deuno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunoselementos no metálicos. Ejemplos de elementos metálicos son hierro,cobre, aluminio, níquel y titanio. Elementos no metálicos, comocarbono, nitrógeno y oxígeno, pueden también estar contenidos en losmateriales metálicos.

Una superficie metálica reciente tiene un lustre característico. Además,los metales que podemos manipular con las manos libres producenuna sensación fría característica relacionada con su elevadaconductividad térmica. Los metales tienen también una altaconductividad eléctrica; la corriente eléctrica fluye fácilmente a travésde ellos. El flujo de corriente se produce sin que haya desplazamientode átomos dentro de la estructura metálica y se debe al flujo deelectrones en el interior del metal. La conductividad térmica de unmetal es por lo común paralela a su conductividad eléctrica. Porejemplo, la plata y el cobre, que poseen las conductividades eléctricasmás elevadas, también muestran las conductividades térmicas másaltas. Esta observación sugiere que los dos tipos de conductividadtienen el mismo origen en los metales.

Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a temperaturaambiente y otros mantienen alta resistencia, incluso a temperaturas

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elevadas. Casi todos los metales son maleables, lo que significa quese pueden martillar para formar hojas delgadas, y dúctiles, es decir, sepueden estirar para formar alambres. Estas propiedades indican quelos átomos son capaces de deslizarse unos respecto de los otros.

Las principales propiedades de los materiales incluyen densidad,presión de vapor, expansión térmica, conductividad térmica,propiedades eléctricas y magnéticas, así como las propiedades deingeniería. En los procesos de manufactura son de gran importancialas propiedades de ingeniería, de las que destacan las siguientes:Resistencia a la tensión, compresión y torsión, Ductilidad, prueba alimpacto o de durabilidad, Dureza y Fatiga

FIGURA 1.4MATERIALES METALICOS

1.4.2 MATERIALES POLIMERICOSLa mayoría de estos materiales son compuestos orgánicos basados enelementos como el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos.Su estructura consiste en moléculas largas. Los átomos que forman lasmoléculas están unidos entre sí por enlaces covalentes mientras quelas moléculas están adheridas entre sí por enlaces débiles o porinterferencia física. Normalmente los materiales polímeros tienen bajadensidad, lo cual se traduce en un peso bajo. Los plásticos pertenecena la familia de los polímeros. La mayoría de plásticos son flexibles yfáciles de deformar.

Debido a la naturaleza de su estructura interna, la mayoría son malosconductores de la electricidad. Algunos de estos materiales son

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buenos aislantes, de ahí su aplicación como aislantes eléctricos. Engeneral, los materiales poliméricos tienen bajas densidades yrelativamente bajas temperaturas de reblandecimiento odescomposición.

Existen dos clases de materiales poliméricos industrialmenteimportantes: los plásticos y los elastómeros. Los plásticos son un grupoamplio y variado de materiales sintéticos, cuya forma se obtiene porprocesos de conformado o moldeado. Existen muchos tipos deplásticos como polietileno y nylon. La división de los plásticos se puedehacer en dos clases, termoplásticos y plásticos termoestables,dependiendo de qué tipo de estructura química formen. Loselastómeros o cauchos experimentan deformación elástica al aplicaruna fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar su forma original(totalmente o casi totalmente) cuando cesa la fuerza.

A TERMOPLASTICOSLos termoplásticos para ser conformados requieren la aplicaciónde calor previo al enfriamiento que les confiere la formadefinitiva. Estos materiales pueden ser recalentados yreformados en nuevas formas varias veces, sin sufrir cambiossignificativos en sus propiedades. (Reacción reversible al calor,solo hasta 300 ºC aprox.).

B PLASTICOS TERMOESTABLESSe fabrican con una forma permanente y se endurecen porreacciones químicas y no se pueden refundir ni conformar, yaque se degradan o descomponen por calentamiento atemperatura muy elevada. Por ello, los plásticos termoestablesno se pueden reciclar. (Reacción irreversible al calor).

FIGURA 1.5MATERIALES POLIMERICOS

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TABLA 1.1PRINCIPALES MATERIALES PLASTICOS

NOMBRE PROPIEDADES APLICACIONESPolietileno (PE) Termoplástico, traslucido en láminas

flexible, permeable a los hidrocarburos,alcoholes y gases, resistente a los rayosX y a los agentes químicos

Láminas, bolsas, tuberías,revestimientos, aislantes, tapones,tapas, envases, juguetes

Polipropileno (PP) Termoplástico, baja densidad, rigidezelevada, resistente a los rayos X, muypoco permeable al agua, resistente a lastemperaturas elevadas (< 135 ºC) y alos golpes

Artículos domésticos, envases,carrocerías moldeadas, baterías,parachoques, muebles de jardín,jeringuillas, frascos, prótesis

Poliestireno (PS) Termoplástico, transparente en lámina,no tóxico por ingestión, buenaspropiedades ópticas y eléctricas, fácil deteñir, resistente a los rayos X, a losaceites y a las grasas

Envases, utensilios de cocina,difusores ópticos, revestimientos demuebles, aislamiento térmico,juguetes, artículos de oficina,maquinillas de afeitar desechables

Policloruro de vinilo (PVC) Termoplástico, flexible o rígido, opaco otransparente, resistente a los rayos X,los ácidos, las bases, los aceites, lasgrasas y los alcoholes

Artículos domésticos, envases,aislamiento de cables eléctricos,conducciones de agua, revestimientosde suelos, contraventanas y puertasplegables, maletas, marroquinería,piel sintética, artículos de deporte ycamping, industria qu9imica yautomoción

Politetrafluoroetileno(PTFE) o teflón

Químicamente inerte, antiadherente,impermeable al agua y a las grasas,excelente resistencia al calor y a lacorrosión

Prótesis, juntas, piezas mecánicas enmedios corrosivos, aislamientoeléctrico, revestimiento de sartenes

Polimetacrilato de metilo(PMMA) o plexiglás

Termoplástico, transparente, excelentespropiedades ópticas, buena resistenciaal envejecimiento y ala intemperie

Material sustitutivo del vidrio, letrerosluminosos, cristaleras, ventanillas,vitrinas, fibras ópticas, odontología,prótesis, lentes de contacto

Poliamidas (PA), ejemplo:nailon

Termoplásticos. Excelentes propiedadesmecánicas, resistentes a los rayos X y alos carburantes impermeables a losolores y a las grasas

Envases para productos alimenticios,mecanismos de contadores de agua,gas y electricidad, canalización decarburantes, botas, fijaciones deesquí, sillines de bicicleta

Siliconas Fluidos, lubricantes, antiadherentes,débilmente toxicas

Fluidos para transformadoreseléctricos, masillas, revestimientosantiadherentes, barnices, ceras,tratamiento de quemaduras, cirugíaestética

1.4.3 MATERIALES CERAMICOSSon compuestos químicos entre elementos metálicos y no metálicos(óxidos, nitratos, carburos). Los átomos en las cerámicas están unidosentre sí por enlaces iónicos. Este enlace hace que las cerámicas noposean conductividad eléctrica ni térmica, por lo que una de sus

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aplicaciones principales es como aislantes de la electricidad y el calor.El enlace químico entre los átomos también hace que las cerámicas nopuedan deformarse significativamente, propiedad que recibe el nombrede fragilidad. Debido a su naturaleza química, las cerámicas soninertes, es decir, no suelen reaccionar químicamente con el entornoque las rodea, lo que las hace resistentes a la corrosión y degradación.

La mayoría de los materiales cerámicos tienen elevada dureza y altaresistencia a elevadas temperaturas, pero tienden a ser frágiles. Lasventajas de los materiales cerámicos para su uso técnico se resumenen bajo peso, alta resistencia y dureza, alta resistencia al calor y aldesgaste, poca fricción y propiedades aislantes.

Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y aldesgaste de muchos materiales cerámicos, los hace útiles enrevestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión demetales como el acero. Una importante aplicación de los cerámicosson las losetas cerámicas del transbordador espacial. Estoscomponentes protegen térmicamente la estructura interna de aluminiodel transbordador durante el lanzamiento y la reentrada en laatmósfera terrestre.

FIGURA 1.6MATERIALES CERAMICOS

1.4.4 MATERIALES COMPUESTOSSon mezclas físicas de dos o más tipos diferentes de materiales(metales con cerámicas, metales con polímeros, cerámicas conpolímeros, etc.). Lo que se busca es obtener materiales conpropiedades específicas proporcionadas por los componentes que lo

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forman. Por ejemplo, si se mezcla un polímero con fibras metálicas, esposible obtener un material compuesto que tenga bajo peso (aportadopor el polímero) y que al mismo tiempo pueda conducir la electricidad(propiedad aportada por las fibras metálicas). Con los compuestos sefabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a altastemperaturas que no pueden obtenerse de otra manera.

Según Derek Hull un material compuesto es aquel que cumple con lassiguientes condiciones:1. Consta de dos o más materiales físicamente distintos y

separables mecánicamente.2. Puede fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma

que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse demanera controlada para alcanzar unas propiedades óptimas.

3. Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas enalgún aspecto específico, a las propiedades de loscomponentes por separado.

4. Crear y construir nuevos materiales compuestos, ya que si nose cumpliera este último punto no habría razón para formar unmaterial compuesto.

Los materiales compuestos pueden clasificarse como granulares yfibrosos. Un ejemplo de un material compuesto granular es unaherramienta de corte, compuesta de partículas de carburo duras enuna matriz metálica otro ejemplo es el concreto donde se tienenpiedras introducidas en una matriz de cemento. De los materialescompuestos fibrosos, el más ampliamente utilizado es la fibra de vidrio.Las principales fibras son de vidrio o carbón, y los principalesmateriales base son de polímeros.

FIGURA 1.7MATERIALES COMPUESTOS

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1.4.5 MATERIALES ELECTRONICOS O SEMICONDUCTORESLos materiales electrónicos no son importantes por su volumen pero síson extremadamente importantes por su avanzada tecnología. El másimportante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que sepuede modificar de distintos modos para cambiar sus característicaseléctricas. Muchísimos circuitos electrónicos complejos se puedenminiaturizar en un chip de silicio de aproximadamente 1,90 cm2. Conestos materiales se han podido crear nuevos productos como loscomputadores avanzados, calculadoras de bolsillo, relojes digitales, etc.

FIGURA 1.8MATERIALES ELECTRONICOS

1.5 PROPIEDADES DE LOS MATERIALESEn forma general, las propiedades se separan para su estudio en dos grandesramas: propiedades físicas y propiedades mecánicas.A Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material

soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión,impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. Acontinuación, se definen las que mencionaremos más adelante: Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de

soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos quese les apliquen.

Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materialespara recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa elesfuerzo que había determinado su deformación.

Dureza: Es la resistencia que un material opone a lapenetración.

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Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente porla acción de un choque.

Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirirdeformaciones permanentes, bajo la acción de una presión ofuerza exterior, sin que se produzca rotura.

Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es lapropiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse enforma de hilos finos.

Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en laposibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.

Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitudmediante ensayos mecánicos: Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la

tenacidad y elasticidad de un material. Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del

material. Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y

tenacidad de un material. Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características

de plasticidad que posee un material para proceder a su forja,doblado, embutido, etc.

B Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento delmaterial. Describen características como color, conductividad eléctricao térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no sealteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en:eléctricas, magnéticas y ópticas.

EjemploDiseñe un material a partir del cual se pueda producir una taza para café.¿Qué propiedad en particular hará que ese material sea el adecuado?

Solución

A fin de evitar que el usuario se queme las manos, las tazas para cafédeberán proporcionar un excelente aislamiento térmico. Debido a sus bajasconductividades térmicas, tanto los cerámicos como los polímeros sonapropiados. Las tazas de poliestireno expandido desechables sonparticularmente eficaces porque contienen muchas burbujas de gas, quemejoran aún más el aislamiento. Esta deseable propiedad física deberá, sinembargo, sopesarse contra el daño potencial al medio ambiente causado aldesechar el polímero. Las tazas de cerámica pueden ser reutilizadas y

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resultan menos peligrosas para el entorno. Las tazas de metal no seutilizarían, naturalmente en razón de su alta conductividad térmica.

1.6 RELACION ENTRE ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y PROCESAMIENTOPara realizar su función durante su ciclo de vida esperado, un componentedebe tener la forma correcta. El ingeniero en materiales debe cumplir esterequisito aprovechando la relación compleja entre la estructura interna delmaterial, su procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando elingeniero de materiales modifica alguno de estos tres aspectos de la relación,cualquiera de los restantes, o ambos, también cambian.

1.6.1 PROPIEDADESSe pueden considerar de 3 tipos: mecánicas, físicas y químicas. Laspropiedades mecánicas determinan como responde el material alaplicarle una fuerza o esfuerzo. El esfuerzo se define como la fuerzadividida por el área transversal sobre la cual actúa. Las propiedadesmecánicas más comunes son la resistencia mecánica, la ductilidad, larigidez, la fatiga, el desgaste y el impacto. Las propiedades mecánicasno solo determinan el comportamiento del material en operación, sinoque influyen en la facilidad con que puede ser conformado en unproducto de servicio. A menudo un pequeño cambio en la estructuratiene un efecto radial en las propiedades mecánicas del material.

Dentro de las propiedades físicas se incluyen los comportamientoseléctricos, magnéticos, ópticos, térmicos y elásticos. Las propiedadesfísicas dependen tanto de la estructura como del procesamiento de losmateriales. Las propiedades químicas comprenden, entre otras lasfuerzas de enlace (debido a la composición) y su comportamientofrente a medios agresivos (corrosividad). (Pequeños cambios decomposición cambian la conductividad eléctrica o pequeñas cantidadesde impurezas cambian el color de un vidrio o un polímero).

1.6.2 ESTRUCTURASe puede considerar en varios niveles, todos los cuales afectan elcomportamiento final del producto. En los niveles más fundamentalesesta la estructura de los átomos que componen el material. Ladistribución de los electrones alrededor del núcleo atómico afecta loscomportamientos eléctricos, magnéticos, térmicos, ópticos y laresistencia a la corrosión. Además influye en como se unen los átomosentre sí, lo cual determina que el material sea un metal, un cerámico oun polímero.

En el siguiente nivel se considera la organización de los átomos en elespacio. Los metales, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen

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una organización atómica muy regular llamada estructura cristalina, laque influye en las propiedades mecánicas de los metales como laductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al impacto, algunassustancias cerámicas y algunos polímeros no tienen esta estructura yse comportan de manera muy distinta a los materiales cristalinos.Existen defectos en el arreglo atómico y pueden controlarse paraproducir cambios profundos en las propiedades.

Existe una estructura granular en la mayoría de los metales, enalgunos cerámicos, y ocasionalmente en polímeros. Entre los granos,el arreglo atómico cambia su orientación influyendo así en laspropiedades. El tamaño y forma de granos desempeña una funciónprimordial en este nivel. Finalmente, en la mayoría de los materiales sepresenta más de una fase, cada una de las cuales tiene su propioarreglo atómico y propiedades. El control del tipo, tamaño, distribucióny cantidad de estas fases dentro del cuerpo principal del material,proporciona una manera adicional de controlar las propiedades.

1.6.3 PROCESAMIENTOGenera la forma deseada de un componente a partir de un materialdeseado. Los metales pueden ser procesados vertiendo metal líquidoen un molde (colado); uniendo piezas individuales de metal(soldadura); conformando piezas metálicas mediante altas presiones(forjado, trefilado, laminado, doblado); compactando pequeñaspartículas en una masa metálica sólida (metalurgia de polvos), oeliminando material excedente (maquinado).

De manera similar, los materiales cerámicos pueden conformarsemediante procesos relacionados tales como colado, conformado ocompactación, por lo general cuando están húmedos; se tratatérmicamente a temperaturas elevadas para desecar y aglutinar loscomponentes.

Los polímeros se producen mediante moldeo por inyección de plásticoreblandecido (similar al colado). A menudo un material es tratadotérmicamente a una temperatura por debajo de su punto de fusión paraproducir un cambio deseable en la estructura.

El tipo de procesamiento utilizado depende, al menos de modo parcial,de las propiedades, de la estructura y por lo tanto, del material.

1.7 INTERACCION ESTRUCTURA – PROPIEDADES - PROCESAMIENTOEl aspecto fundamental que debe tomarse cuando se requiere producir uncomponente con una Geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño

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que éste tendría durante su vida útil. Para poder hacer la mejor selección ydiseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la estructurainterna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuandoalguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se venafectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación queexiste entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto requerido.

El procesamiento de un material por lo general afecta la estructura de éste.Por ejemplo, una barra de cobre o acero fabricada por fundición tendrá unamicroestructura diferente a la de una barra obtenida por conformadomecánico. La forma, tamaño y orientación de los granos puede ser diferente.En las fundiciones se pueden observar huecos: (rechupes) debidos a lacontracción del metal durante la solidificación, burbujas de gas; partículas nometálicas (inclusiones) y granos columnares o estructuras dendríticasdesarrolladas en la pared del molde hacia el centro de la pieza.

En el material conformado mecánicamente las partículas no metálicas sedeforman en la dirección del flujo al igual que los granos, la estructuracristalina sufre deformaciones (texturizado). La estructura y propiedadesoriginales determinan la manera de procesar el material. Las piezas defundición que contengan huecos pueden sufrir agrietamiento durante unconformado mecánico posterior. Las aleaciones que han sido endurecidas poralteraciones de la estructura cristalina se vuelven "frágiles" y puedenfracturarse durante un conformado posterior.

En el caso de los polímeros, sus propiedades mecánicas están determinadaspor su estructura química y peso molecular. Propiedades como la resistenciaa la tensión, módulo de Young, dureza y facilidad de proceso requieren unvalor de peso molecular mínimo para alcanzar el óptimo. Si bien la resistenciamecánica aumenta con el peso molecular, la facilidad de procesamientodisminuye. Las variables más importantes que determinan el estado físico deun polímero son la magnitud y naturaleza de las restricciones al movimientode sus cadenas moleculares, principalmente en el estado amorfo; en cambiocuando existe cierto grado de cristalinidad el material se endurece,aumentando su punto de fusión y propiedades mecánicas.

Los polímeros clasificados como termoestables o termofijos no puedendeformarse plásticamente, mientras que los termoplásticos son fácilmentedeformables. La viscosidad, que es una de las propiedades más importantesde los polímeros, se ve afectada por el grado de ramificación de susmoléculas.

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FIGURA 1.9Relación entre procesamiento – estructura – propiedades y producto final

1.8 EFECTOS AMBIENTALES EN EL COMPORTAMIENTO DE LOSMATERIALESLa relación estructura - propiedades - procesamiento recibe también lainfluencia del medio circundante al que se somete el material.

1.8.1 FUERZA O CARGAEl tipo de fuerza o carga, que actúa en el material puede cambiarradicalmente su comportamiento. Fuerza cíclica (fatiga), impacto,normal, tangencial, etc. Todas ellas producen efectos distintos en el

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material. Es importante saber reconocer el tipo de carga a la que sesomete el material.

1.8.2 TEMPERATURALos cambios de temperatura alteran mucho las propiedades de losmateriales. La resistencia de la mayoría de los materiales disminuyeconforme la temperatura aumenta. Además, pueden ocurrir cambiossúbitos desastrosos cuando se calienta por encima de lastemperaturas críticas. Los metales que han sido endurecidos por ciertotratamiento térmico o mediante alguna técnica de conformado, puedenperder repentinamente su resistencia cuando son calentados.

Las temperaturas bajas hacen que el material falle por fragilidad auncuando la carga aplicada sea baja. Las temperaturas altas tambiénpueden modificar la estructura de las sustancias cerámicas o provocarque los polímeros se derritan o carbonicen.

FIGURA 1.10EFECTO DE LA TEMPERATURA VS RESISTENCIA

El incremento de la temperatura normalmente reduce la resistencia deun material. Los polímeros son convenientes solo a bajas temperaturas.Algunos compuestos, aleaciones especiales y cerámicas tienenexcelentes propiedades a altas temperaturas.

1.8.3 ATMOSFERALa mayoría de los polímeros y los metales reaccionan con el oxigeno yotros gases particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metalesy cerámicos pueden desintegrarse muy severamente o ser atacados

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químicamente, mientras otros se pueden autoproteger. Los polímerossuelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse. Losaceros pueden reaccionar con el hidrógeno y volverse frágiles.

1.8.4 CORROSIONLos metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendodegradados uniforme o selectivamente, pudiendo desarrollar grietas opicaduras que conducen a fallas prematuras. Las sustancias cerámicasson atacadas por cerámicos en estado líquido, mientras que lospolímeros pueden ser disueltos por sustancias disolventes.

1.8.5 RADIACIONLa radiación de alta energía, como la de neutrones producida en unreactor nuclear, puede afectar la estructura interna de todos losmateriales ocasionando pérdida de resistencia, fragilidad o alteracióncrítica de las propiedades físicas. La dilatación, producida porcavidades y burbujas de origen radioactivo, puede causar cambios enlas dimensiones externas y aun agrietamiento.

1.9 SELECCION DE MATERIALESUna función clave de los especialistas de materiales (por ejemplo: científicos,metalurgistas, ceramistas, ingenieros en polímeros) es sintetizar materialesútiles y producirlos en cantidades voluminosas. Por otro lado, los ingenierosciviles, mecánicos, químicos y electricistas, deben a menudo seleccionarmateriales para:1. Implementar diseños para nuevos productos2. Mejorar productos existentes. En este caso, nuevos materiales pueden

reducir costos de producción, y sortear defectos de diseño.3. Tratar situaciones de emergencia. Esto puede incluir falla de productos,

con pérdida de confianza de los consumidores, problemas deproducción y escasez del recurso utilizado que requieran un reemplazodel material.

Miles de materiales están potencialmente disponibles en formas y tamañosdiversos, aunque frecuentemente, la elección se reduce a unos pocoscandidatos. Entre los aspectos que deben ser considerados cuando tomamosla decisión de seleccionar un material, se encuentran las siguientes:

1.9.1 PROPIEDAD O PROPIEDADES DE INTERES ESENCIALEsta es frecuentemente la consideración más importante. En rarasocasiones habrá solo un material que se adapte. Por ejemplo si lanecesidad es alcanzar 4 K, solo el Helio líquido permite lograrlo. Demodo similar, para aplicaciones en catálisis, actualmente no existemejor alternativa que el platino. Es más común de todos modos, que sepresenten alternativa ante la elección de materiales. Por ejemplo si los

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requisitos de propiedades mecánicas son los más importantes y ciertonivel de resistencia es esencial, probablemente tengamos variasposibilidades. Por lo tanto será necesario considerar otras propiedadessuplementarias (por ejemplo: densidad, tenacidad a la fractura,resistencia al desgaste, etc.) según su orden de importancia para elcaso considerado.

1.9.2 PROCESABILIDADSi los materiales no pueden ser formados, o montados con ciertafacilidad, dejan de ser elecciones viables. Incluido en este ítemtenemos la facilidad con que pueden ser formados, mediante procesosmecánicos tales como laminado, forjado, maquinado, la posibilidad deunir partes mediante soldadura, o algún otro proceso de unión, etc.Abundan ejemplos de excelentes materiales salvo que no pueden sertaladrados ni soldados. A diferencia de otras propiedades de losmateriales que pueden ser cuantificadas por un valor numérico, esteítem refleja una compleja combinación de propiedades. Por lo tanto escomún generar una clasificación cualitativa con términos comoexcelente, media, pobre, mala, asociados al proceso en cuestión, porejemplo maquinabilidad.

1.9.3 DISPONIBILIDADLos mejore materiales para una determinada aplicación no siempreestán disponibles en las cantidades, composiciones, o formasadecuadas. La escasez es determinante en el costo del material. Unejemplo es el cobalto, el cual es utilizado en la fabricación de alabes deturbina, y en prótesis quirúrgicas. Los tumultos políticos de principiosde los ’80 en Zaire y Zambia, los principales productores, causaron queel precio del metal aumentara diez veces en pocos días en el mercado.La sustitución de materiales es la respuesta frecuente a los problemasde disponibilidad. La razón es que el usuario requiere una propiedadantes que un material.

Independientemente de la disponibilidad, la sustitución es parte de laevolución natural del uso de los materiales. Existen una cantidad deejemplos comunes, tal como la utilización de PVC como reemplazo delbronce y el cobre en cañerías domiciliarias, y las fibras sintéticaspoliméricas en lugar de las telas de fibras naturales en la vestimenta.

1.9.4 COSTOLa selección de materiales no es posible sin la consideración de loscostos. Muchos materiales básicos de ingeniería son vendidos comoproducto de consumo masivo, dado que su precio es relativamente fijodebido a su alta disponibilidad. Los precios de los materiales pueden

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variar por diversas razones, entre las que podemos distinguir, tamaño,forma, cantidad comprada. Es posible notar el incremento de precio devarios materiales debido a procesos adicionales. Un ejemploremarcable a este respecto es el caso del silicio, en el cual laconversión desde grado metalúrgico a grado electrónico multiplica suvalor unas 7000 veces. El uso altamente difundido de materiales deingeniería tales como acero de bajo carbono, madera, concreto, yvarios polímeros, se debe a su bajo costo. El precio de costo inicial noes el único costo a tener en cuenta, en la selección de un material. Loscostos de procesamiento, producción y montaje asociados a un usoparticular del material también deben ser tenidos en cuenta.

En resumen, si el objetivo es alcanzar beneficios óptimos, debe adoptarse unsistema de enfoque concurrente, que integre en forma sinérgica diseño,fabricación y selección de materiales.

1.10 INNOVACION EN MATERIALESEn la actualidad, gran parte de lo que anteriormente se fiaba a la intuición o ala buena suerte se fundamenta en la aplicación de los constantesdescubrimientos en física y química básica, algunos de los cuales acabansiendo incluso premios Nobel. Los diseñadores de nuevos materiales utilizansistemas de simulación por ordenador para combinar átomos, calcular suestructura molecular y deducir sus propiedades físicas y químicas. A partir deahí, elaboran los prototipos reales de aquellos modelos que tienen másposibilidades de poseer las propiedades buscadas, con el consiguiente ahorrode tiempo y costes.

El desarrollo de nuevos materiales va dejando obsoletas las clasificacionestradicionales de los materiales, y las líneas de investigación abiertas sonmúltiples. Por ejemplo, la fundación COTEC para la Innovación Tecnológicaestima que, sólo en la UE, se han elaborado 1.400 proyectos de investigaciónen esta área en los últimos años.

Según Emilio Castro Otero, investigador del Departamento de Física de laMateria Condensada de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), losnuevos materiales con que conviviremos en nuestra vida diaria durante elsiglo XXI se desarrollarán a medida, con el fin de obtener un material conunas propiedades adecuadas para una aplicación determinada y serán"nano", inteligentes y biomiméticos, así como energéticamente más eficientes,reciclables y menos tóxicos a favor del medio ambiente y el desarrollosostenible.

La nanotecnología es uno de los novedosos campos que promete cambiosespectaculares en la fabricación de nuevos materiales. La nanotecnología es

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la ciencia de fabricar y controlar estructuras y máquinas a nivel y tamañomolecular, capaz de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidadde medida, el nanómetro, es la milmillonésima parte de un metro, 10-9 metros.Algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, como por ejemplolos nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puropara diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico.

Los nanomateriales son materiales a nanoescala, materiales concaracterísticas estructurales de una dimensión entre 1-100 nanometros,pueden ser clasificados en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. Elenfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arribaa las estructuras y efectos funcionales de forma que la construcción debloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma controlada.

Existen tres categorías básicas de nanomateriales desde el punto de vistacomercial y desarrollo: óxidos metálicos, nanoarcillas (para reforzar plásticos)y nanotubos de carbono (para agregar conductividad a varios materiales). Losque más han avanzado desde el punto de vista comercial son lasnanopartículas de óxido metálico.

Los metamateriales, material que obtiene sus propiedades de su estructura yno de su composición: es decir, son compuestos ordenados cuyaspropiedades físicas son distintas a las de sus constituyentes. Este término seutiliza, sobre todo, cuando el material al que se hace referencia tienepropiedades que no se encuentran en materiales presentes en la naturaleza.Dentro del electromagnetismo se suele identificar con tal nombre a aquellosque presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doblenegativos" o "zurdos"). Algunos de ellos se fabrican con técnicas denanotecnología similares a las que se usan para fabricar micromáquinas ycircuitos integrados.

Una ventaja de estos metamateriales es que con ellos se podrían fabricarlentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que lalongitud de onda de la luz, con lo que podrían conseguirse aplicaciones en elterreno de la óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una deestas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo máspotentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentratodavía en una fase muy preliminar.

Asimismo, los materiales inteligentes revolucionarán la forma de concebir lasíntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder aestímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplementeajustarse para ser más confortables al ser humano. Así, las investigacionesen nanomateriales permitirán en el futuro, por ejemplo, sistemas de liberación

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de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para microfabricación, dispositivosnanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos y nanomateriales paravehículos de altas prestaciones. Los materiales inteligentes podrán replicarsey repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse,reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre losmateriales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculosartificiales o los materiales que "sienten" sus propias fracturas.

Por su parte, los materiales biomiméticos buscan replicar o "mimetizar" losprocesos y materiales biológicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Losinvestigadores que trabajan en este tipo de materiales persiguen un mejorconocimiento de los procesos utilizados por los organismos vivos parasintetizar minerales y materiales compuestos, de manera que puedandesarrollarse, por ejemplo, materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros.

Los materiales invisibles, especies y subespecies de materiales que no estána la vista, pero que constituyen la esencia de multitud de dispositivos yproductos que cada vez nos parecen más indispensables. Su utilidad resideno tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades químicas,magnéticas, ópticas o electrónicas. Aunque representen una pequeña partede los dispositivos en los que actúan, cumplen en ellos un papel estelar. Entreestos materiales invisibles, destacan los empleados en las baterías, en laspantallas planas de ordenadores, teléfonos móviles, paneles electrónicos yotros dispositivos, o en las películas sensibles a los rayos-X.

FIGURA 1.11

VIDRIO TRANSPARENTE CAPAZ DE GENERAR ELECTRICIDAD

1.11 APLICACIONES Y RELACION CON LA INDUSTRIALos avances radicales en los materiales pueden conducir a la creación denuevos productos o nuevas industrias, pero las industrias actuales tambiénnecesitan científicos de materiales para incrementar las mejoras y localizar lasposibles averías de los materiales que están en uso. Las aplicaciones

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industriales de la ciencia de materiales incluyen la elección del material, sucoste-beneficio para obtener dicho material, las técnicas de procesado y lastécnicas de análisis.

Además de la caracterización del material, el científico o ingeniero demateriales (aunque haya una diferencia, muchas veces el ingeniero escientífico y viceversa) también debe tratar la extracción y su posteriorconversión en materiales útiles. El moldeo de lingotes, técnicas de fundido,extracción en alto horno, extracción electrolítica, etc., son parte delconocimiento requerido en un ingeniero metalúrgico.

Dejando aparte los metales, polímeros y cerámicas son también muyimportantes en la ciencia de materiales. Los polímeros son un materialprimario usado para conformar o fabricar plásticos. Los plásticos son elproducto final después de que varios polímeros y aditivos hayan sidoprocesados y conformados en su forma final. El PVC, polietileno, etc., sonejemplos de plásticos.

En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como sumodelado, secado y cocido para obtener un material refractario.

RESUMENLa selección de un material que tenga propiedades necesarias y el potencia para serfabricado y convertido, de manera económica y con seguridad, en un producto útil esun proceso complicado, que involucra el conocimiento de la relación estructura-propiedades-procesamiento. Siempre deberán tomarse en consideración variasfamilias de materiales: Los metales tienen buena resistencia, buena ductibilidad y formabilidad,

buena conductividad eléctrica y térmica y una resistencia a la temperaturamoderada.

Los cerámicos son resistentes, sirven como buenos aislantes eléctricos ytérmicos; a menudo son resistentes al daño por ambientes corrosivos y detemperaturas altas, pero son frágiles.

Los polímeros tienen una resistencia relativamente baja, no son adecuadospara uso a altas temperaturas, tienen una buena resistencia contra lacorrosión y al igual que los cerámicos, proporcionan un buen aislamientoeléctrico y térmico. Los polímeros pueden ser dúctiles o frágiles, dependiendosi se ha seleccionado un polímero termoplástico o termoestable.

Los semiconductores poseen propiedades eléctricas y ópticas únicas quehacen de ellos componentes esenciales en dispositivos electrónicos y decomunicación.

Los compuestos son mezclas de materiales que proporcionan combinacionesúnicas de propiedades mecánicas y físicas que no pueden encontrarse enningún material por sí solo.

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PROBLEMAS

1.1 A menudo el hierro se recubre con una delgada capa de zinc cuando se va autilizar en el exterior. ¿Qué características le da el zinc a este metal recubierto,es decir galvanizado? ¿Qué precauciones deberán tomarse en consideraciónen la fabricación de este producto? ¿Cómo se afectara la capacidad dereciclaje del producto?

1.2 Los resortes en espiral deben ser muy resistentes y rígidos. El Si3N4 es unmaterial resistente y rígido. ¿Se podría seleccionar este material para unresorte? Explique.

1.3 Clasifique con una x los siguientes materiales:

Material Metal Polímero Cerámico Compuesto SemiconductorFundicionesParabrisasPoliestirenoLEDsGomasCementoConcretoNanotubosBronceSensoresMicas

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CELDA UNITARIA

OBJETIVOAnalizar las características fundamentales de una celda unitaria cualquiera.Describir los sistemas cristalinos que existen y las redes de Bravais que laconforman.

2.1 INTRODUCCIONLos cristales son partículas sólidas con forma regular y caras planas ybrillantes. Aunque los cristales de una misma sustancia pueden variarconsiderablemente en su forma, el ángulo entre caras similares de cristalesdiferentes de la misma sustancia es siempre idéntico.

La regularidad de la apariencia externa de los cristales es un reflejo de un altogrado de orden interno. Cada cristal se deriva de un “bloque de construcción”básico que se repite una y otra vez, en todas direcciones, de maneraperfectamente regular. Este bloque de construcción se denomina celdaunitaria o celda unidad. Para poder describir y clasificar una estructuracristalina, es necesario definir la forma y la simetría de la celda unitaria, juntocon su tamaño y las posiciones de los átomos dentro de ella.

2.2 CELDAS UNITARIASLos sólidos cristalinos están constituidos por un ordenamiento regular deátomos, moléculas o iones; este ordenamiento puede ser representado poruna unidad que se repite llamada celda unidad. Ésta es la mínima unidad queal repetirse muestra la simetría completa de la estructura cristalina.

La celda unitaria de una red tridimensional es un paralelepípedo definido portres distancias, a, b y c, y tres ángulos, α, β y γ. La celda unitaria es lasubdivisión de la red cristalina que sigue conservando las característicasgenerales de toda la red. En la figura 2.1 se muestra una celda unitaria en unared. Al apilar celdas unitarias idénticas, se puede construir toda la red.

FIGURA 2.1CELDA UNITARIA

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En la figura 2.2 se muestran todas las formas posibles de celdas unitarias, lasque se conocen como los siete sistemas cristalinos. La tabla I resume lascaracterísticas de cada sistema.

FIGURA 2.2CELDAS UNITARIAS DE LOS SIETE SISTEMAS CRISTALINOS

A su vez, las celdas pueden clasificarse según el número de puntosreticulares que contienen y la disposición de los mismos, en cuatro tiposdiferentes, según se ilustra en la figura 2.3.

Ahora bien, para determinar completamente la estructura cristalina elementalde un sólido, además de definir la forma geométrica de la red, es necesarioestablecer las posiciones en la celda de los átomos o moléculas que forman elsólido cristalino; lo que se denominan puntos reticulares. Las alternativas sonlas siguientes: P: Celda primitiva o simple en la que los puntos reticulares son sólo los

vértices del paralelepípedo. F: Celda centrada en las cara, que tiene puntos reticulares en las caras,

además de en los vértices. Si sólo tienen puntos reticulares en lasbases, se designan con las letras A, B o C según sean las caras quetienen los dos puntos reticulares.

I: Celda centrada en el cuerpo que tiene un punto reticular en el centrode la celda, además de los vértices.

C: Primitiva con ejes iguales y ángulos iguales ó hexagonal doblementecentrada en el cuerpo, además de los vértices.

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Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos dered mencionados, se obtendrían 28 redes cristalinas posibles. En realidad,como puede demostrarse, sólo existen 14 configuraciones básicas,pudiéndose el resto obtener a partir de ellas. Estas estructuras se denominanredes de Bravais.

Cuando estos cuatro tipos se combinan con las siete formas de celdaposibles, y además con todos los posibles elementos de simetría de estasredes, se obtienen 230 grupos espaciales tridimensionales, o sea 230patrones diferentes de ocupación espacial.

Los puntos reticulares no representan a los átomos, sino a posicionesequivalentes en una red cristalina. En un cristal real, el lugar de un puntoreticular puede estar ocupado por un átomo, un ion complejo, una molécula,un grupo de moléculas, o simplemente no estar ocupado. Los puntosreticulares sirven para representar la periodicidad de patrones repetitivos enuna estructura, pero no dicen nada sobre las posiciones atómicasparticulares, ni sobre la química o el enlace dentro del cristal.

Para la mayoría de los metales, sin embargo, se puede suponer que cadapunto reticular coincide con un átomo de la red.

TABLA 2.1CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS CRISTALINOS

SISTEMA CELDA UNITARIA REDES DE BRAVAIS

Cubico α = β = γ = 90ºa = b = c

Primitiva (P) o simple (S),Centrada en el Cuerpo (I),Centrada en las caras (F)

Tetragonal α = β = γ = 90ºa = b ≠ c

Primitiva (P) o simple (S),Centrada en el Cuerpo (I)

Ortorrómbico α = β = γ = 90ºa ≠ b ≠ c

Primitiva (P) o simple (S),Centrada en el Cuerpo (I),Centrada en las caras (F),Centrada en las bases (C)

Romboédrico o Trigonalα = β = γ ≠ 90º

a = b = c Primitiva (P) o simple (S)

Hexagonalα = β = 90º; γ = 120º

a = b ≠ c Primitiva (P) o simple (S)

Monoclínicoα = γ = 90º; β ≠ 90º

a ≠ b ≠ cPrimitiva (P) o simple (S),Centrada en las bases (C)

Triclínicoα ≠ β ≠ γ ≠ 90º

a ≠ b ≠ c Primitiva (P) o simple (S)

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FIGURA 2.3LOS CUATRO TIPOS DE CELDAS UNITARIAS

2.3 CARACTERISTICAS DE LA CELDA UNITARIAEn el caso más sencillo, a cada punto de red le corresponderá un átomo, peroen estructuras más complicadas, como materiales cerámicos y compuestos,cientos de átomos pueden estar asociados a cada punto de red formandoceldas unitarias extremadamente complejas. En el primer caso, puedenobtenerse sencillamente diversas características de la red cristalina.

2.4 PARAMETROS DE REDLos parámetros de la red, que describen el tamaño y la forma de la celdaunitaria, incluyen las dimensiones de los costados de la celda unitaria y losángulos entre sus costados. En un sistema cristalino cúbico, solamente esnecesaria la longitud de uno de los costados del cubo para describir porcompleto la celda (se suponen ángulos de 90°, a menos que se especifique locontrario). Esta longitud, medida a la temperatura ambiente, es el parámetrode red a. A menudo la longitud se da en nanómetros (nm), o en Angstroms (Á),donde:

1 nanómetro (nm) = 10-9 m = 10-7 cm = 10 Á1 ángstrom (Á) = 0.1 nm = 10-10 m = 10-8 cm

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Se requieren varios parámetros de red para definir el tamaño y la forma deceldas unitarias complejas. Para una celda unitaria ortorrómbica, se debenespecificar las dimensiones de los tres lados de la celda: a0, b0, y c0. Lasceldas unitarias hexagonales requieren de dos dimensiones, a y c0, y elángulo de 120° entre los ejes a. La celda más complicada, la celda triclínicase describe mediante tres longitudes y tres ángulos.

2.5 REDES DE BRAVAISUno de los conceptos fundamentales en la descripción de un sólido cristalinoes el de red de Bravais, que especifica cómo las unidades básicas que locomponen (átomos, grupos de átomos o moléculas) se repitenperiódicamente a lo largo del cristal.

Una red de Bravais es un conjunto formado por todos los puntos cuyo vectorde posición es de la forma R= n1a1 + n2a2 + n3a3 donde a1, a2, a3 son tresvectores linealmente independientes y n1, n2 y n3 son números enteros. A losvectores ai se les llama vectores primitivos o traslaciones fundamentales de lared de Bravais. Resulta evidente que al trasladar una red de Bravais según unvector de la forma R = n1a1 + n2a2 + n3a3, coincide consigo misma. Lainvariancia traslacional de la red de Bravais constituye su característica másimportante.

FIGURA 2.4REDES DE BRAVAIS

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Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o Redes de Bravais agrupadas ensiete sistemas cristalinos (Figura 2.2 y 2.4 y Tabla 2.1). Los puntos de la redestán localizados en las esquinas de las celdas unitarias y, en algunos casos,en cualquiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. A continuaciónse verán algunas características de una red o de una celda unitaria.

2.6 OPERACIONES DE SIMETRIAAdemás de la simetría de traslación, que es común a todas las redes deBravais, una red puede resultar invariante frente a otros tipos detransformaciones. Los mas importantes son: Rotación en torno a un eje: una red tiene un eje de simetría de orden

n cuando coincide consigo misma al girarla un ángulo 2π/n en torno adicho eje. Debido a las exigencias que impone la simetría de traslaciónen una red de Bravais solo son posibles ejes de orden 2, 3, 4 y 6.

Reflexión respecto a un plano: una red tiene un plano de simetríacuando coincide con su imagen especular respecto a dicho plano.

Inversión respecto a un punto: una red tiene un centro de inversióncuando coincide con su imagen invertida respecto a un punto.

Algunas redes pueden ser invariantes frente a productos de dos elementossin serlo frente a cada uno de ellos.

Existen otras transformaciones resultantes del producto de dos de lasanteriores o de una de las anteriores con una traslación que no pertenece a lared de Bravais: Eje helicoidal: la red es invariante frente a una rotación de orden n

seguida de una traslación no perteneciente a la red de Bravais. Plano de deslizamiento reflejado: la red es invariante frente a una

reflexión respecto a un plano seguida de una traslación noperteneciente a la red de Bravais.

Al conjunto de transformaciones de simetría que dejan invariante una red deBravais se llama grupo espacial de dicha red. Al conjunto de transformacionesde simetría que dejan invariante la red (permaneciendo fijo un punto de dichared) se llama grupo puntual de la red.

Según la simetría de la celda unidad las redes de Bravais poseen más omenos elementos de simetría adicionales. Existen 7 sistemas cristalinos, acada uno de los cuales corresponde un grupo puntual determinado. Puedenexistir redes de Bravais diferentes con el mismo grupo puntual, existiendo entotal 14 redes de Bravais cristalinas. Si caracterizamos cada red por su celdaunidad, siendo ésta un paralelepípedo de lados a, b, c y de ángulos entrearistas α, β y γ se obtienen los distintos sistemas pasando del cubo (celdacon máxima simetría) al paralelepípedo irregular:

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FIGURA 2.5PARALELEPIPEDO IRREGULAR

FIGURA 2.6EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS

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2.7 EMPAQUETAMIENTOS COMPACTOSLos requerimientos geométricos para la formación de un cristal se puedenentender mejor al considerar las distintas formas en las que se puedenempaquetar varias esferas idénticas para formar una estructura tridimensionalordenada. Estos empaquetamientos pueden considerarse constituidos por lasuperposición de capas bidimensionales de dichas esferas.

La figura 2.7 muestra dos arreglos de capas posibles. En 2.7b, las esferas seacomodan en forma compacta, ocupando de este modo el máximo de espacioposible. En 2.7a, la eficiencia de llenado es menor.

FIGURA 2.7EMPAQUETAMIENTO DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS

a) Distribución cuadrada de esferasb) Una capa de esferas empaquetadas compactamente

La segunda posibilidad sería que la tercera capa se ubique sobre losintersticios marcados con puntos en la figura 2.8. Esta tercera capa, la C, noestaría directamente encima de A ni de B, y la secuencia de apilamiento al

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repetirse sería ABCABCAB.... y así sucesivamente. Este es el esquema delempaquetamiento cúbico compacto (ecc).

Aunque no resulta evidente en un primer momento, la celda unitaria de esteempaquetamiento es cúbica centrada en las caras. Como se ve en las figuras2.8 y 2.9, la diagonal de este cubo es perpendicular a las capas de esferas A,B y C.

FIGURA 2.8DOS CAPAS DE ESFERAS CON EMPAQUETAMIENTO COMPACTO

FIGURA 2.9VISTA DE LA CELDA UNIDAD DE LA ESTRUCTURA CUBICA DE

EMPAQUETAMIENTO COMPACTO

La flecha inclinada muestra con claridad la diagonal del cubo

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2.8 ESTRUCTURAS SIMILARES EN LA NATURALEZALa discusión sobre los empaquetamientos compactos se ha basado en unmodelo ideal de distribución de esferas iguales. Cabe preguntarse si en lanaturaleza realmente existen estructuras similares a estos modelos.

Efectivamente, los cristales metálicos son estructuras formadas por un sólotipo de átomos que responden a estas estructuras simples. Casi todos losmetales presentan estructuras compactas, en algunos casos hexagonales yen otras cúbicas. No obstante existe también una tercera estructuraimportante, que se observa por ejemplo en los metales alcalinos, en la cuallos átomos forman un cubo centrado en el cuerpo (figura 2.10).

En esta estructura no tan compacta como las anteriores, el índice decoordinación ha bajado a ocho y la densidad de empaquetamiento es del68 %. El número de esferas por celda unidad es de dos (una en el centro másun octavo por cada vértice).

FIGURA 2.10EMPAQUETAMIENTO CUBICO CENTRADO EN EL CUERPO

PROBLEMAS

2.1 Cuales son las principales disposiciones compactas que presentan losmetales y cite los principales metales que representan a cada disposicióncristalográfica.

2.2 De las disposiciones compactas, cuales son las más densas y a que se debedicha densidad.

2.3 ¿Cuáles son las tres estructuras cristalinas más comunes de los metales?Indicar cinco metales que tengan cada una de estas estructuras cristalinas.

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BIBLIOGRAFIA1. Askeland, Donald R., “Ciencia e ingeniería de los materiales”, Madrid

Paraninfo/Thomson Learning cop. 2004.2. Shackelford, James F., “Introducción a la ciencia de materiales para

ingenieros”, Madrid, Prentice Hall, D. L. 1998.3. Callister, William D., “Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales”,

Barcelona, reverte, 1996.