Materiales En Ingenieria

MATERIALES EN INGENIERIA UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

2.1 Estructura interna y su consecuencia en las propiedades

La estructura de un material puede ser examinada en cuatro niveles: estructura atómica, arreglo de los átomos, microestructura y macroestructura.

La estructura atómica influye en la forma que los átomos se unen entre sí; esta comprensión a su vez nos ayuda a clasificar los materiales como metales, semiconductores, cerámicos y polímeros, y nos permite llegar a ciertas conclusiones generales en relación con las propiedades mecánicas y el comportamiento físico de estas cuatro clases de materiales.

Un átomo está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo contiene neutrones y, protones de carga positiva y tiene una carga positiva neta. Los electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción electrostática. La carga eléctrica q que llevan cada electrón y cada protón es de 1.60 x 10-19 C. Dado que el número de electrones y protones en el átomo es el mismo, en su conjunto el átomo es eléctricamente neutro.

El número atómico de un elemento es igual al número de electrones o protones en cada átomo. Por tanto, un átomo de hierro, que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico de 26

La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. La masa de cada protón y cada neutrón es de 1.67 x 10-24 g, pero la de cada electrón es de únicamente 9.11 x 10-28 g. La masa atómica M, que corresponde al número promedio de protones y neutrones en el átomo es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro, NA1NA = 6.023 x 1023 mol-1 es el número de átomos o moléculas en un mol de molécula gramo. Por tanto, la masa atómica (peso atómico) tiene unidades de g/mol. Una unidad alterna para la masa atómica es la unidad de masa atómica, es decir uma, que es 1/12 de la masa del carbono 12. Como ejemplo, un mol de hierro contiene 6.02 x 1023 átomos y tiene una masa de 55.847 g, es decir 55.847 uma.

Por otro lado, es necesario hablar rápidamente de los tipos de enlaces químicos que se dan en los diferentes tipos de materiales:

El Enlace Metálico: Los elementos metálicos, que tienen una electronegatividad baja, ceden sus electrones de valencia para formar un “mar” de electrones que rodea a los átomos

El aluminio, por ejemplo, cede sus tres electrones de valencia, dejando un cuerpo central formado por el núcleo y los electrones internos. En vista que en este cuerpo central faltan 3 electrones cargados negativamente, éste tiene una carga positiva igual a tres. Los electrones de valencia se mueven libremente dentro del mar de electrones y se asocian con varios centros atómicos. Los centros atómicos cargados positivamente se mantienen unidos mediante la atracción mutua con los electrones, produciendo así un fuerte enlace metálico.

Dado que sus electrones no están fijos a ninguna posición en particular, los metales son buenos conductores eléctricos. Bajo la influencia de un voltaje aplicado, los electrones de valencia se mueven haciendo que fluya una corriente si el circuito está completo

El Enlace Covalente: los materiales con enlace covalente comparten electrones entre dos o más átomos. Por ejemplo, un átomo de Si que tiene una valencia de 4, obtiene 8 electrones en su capa externa de energía al compartir sus electrones con otros 4 átomos de Si que lo rodean

Cada punto de contacto representa un enlace covalente; por lo que cada átomo de Si está enlazado a 4 átomos vecinos mediante 4 enlaces covalentes.

La conductividad eléctrica es mala; la carga eléctrica se transfiere mediante el movimiento de iones completos, los que, por su tamaño, no se desplazan fácilmente como los electrones.

Cuando a un material iónico se le aplica voltaje, deben moverse iones completos para que fluya una corriente. El movimiento iónico es lento y la conductividad eléctrica es pobre.

Enlaces de Van der Waals: este tipo de enlaces unen moléculas o grupos de átomos mediante una atracción electrostática débil. Muchos plásticos, cerámicos, agua y otras moléculas están polarizadas de manera permanente; esto es, algunas porciones de la molécula están cargadas positivamente, en tanto que otras lo están negativamente. La atracción electrostática entre regiones de carga positiva de la molécula y regiones de carga negativa de una segunda molécula unen de manera débil ambas moléculas. Esto, llamado enlace de hidrógeno, ocurre cuando una de las regiones polarizadas está formada de átomos de hidrógeno.

El enlace de Van der Waals está formado como resultado de la polarización de moléculas o de grupos de átomos. En el agua, los electrones del oxígeno tienen tendencia a concentrarse lejos del hidrógeno. La diferencia de carga resultante permite que la molécula se enlace débilmente con otras moléculas de agua.

Los enlaces de Van der Waals pueden modificar de manera notable las propiedades de los materiales. Dado que los polímeros por lo general tienen enlaces covalentes, esperamos que el Cloruro de Polivinilo (plástico PVC) fuera muy frágil, pero este material contiene moléculas muy largas en forma de cadena. Dentro de cada una de éstas, los enlaces son covalentes, pero las cadenas individuales se unen una con otra mediante enlaces Van der Waals.

El cloruro de polivinilo puede ser deformado rompiendo los enlaces Van der Waals, permitiendo que las cadenas se deslicen una frente a la otra.

Enlaces Mixtos: en la mayor parte de los materiales, el enlace entre átomos es una mezcla de dos o más tipos. Por ejemplo, el hierro está enlazado mediante una combinación de enlaces metálicos y covalentes, lo que impide que los átomos se empaqueten tan eficientemente como pudiéramos esperar. Muchos compuestos cerámicos y semiconductores, que son combinaciones de elementos metálicos y no metálicos, tienen una mezcla de enlaces covalentes e iónicos. Conforme aumenta la diferencia de electronegatividad entre los átomos, los enlaces se hacen más iónicos.

2.2. Materiales Puros, 2.3. Aleaciones Ferrosas y No Ferrosas, 2.4. Materiales Orgánicos e Inorgánicos, 2.5. Materiales Cerámicos

El arreglo atómico juego un papel importante en la determinación de la microestructura y en el comportamiento de un material sólido. Por ejemplo, el arreglo atómico en el Al proporciona buena ductilidad, en tanto que en el hierro es la causa de una buena resistencia. Los transductores cerámicos capaces de detectar tumores en el cuerpo humano se basan en un arreglo atómico que producen un desplazamiento permanente de las cargas eléctricas dentro del material. Debido a distintos arreglos atómicos, se puede deformar fácilmente el polietileno, se puede estirar elásticamente

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