Fundamentos Esenciales de Materiales: Estructura, Propiedades y Defectos

Conceptos Fundamentales de Materiales

Materiales

Son todos aquellos compuestos que facilitan la vida diaria, abarcando todo aquello que no es espiritual.

De la Materia al Material

Big Bang → Átomos → Elementos → Compuestos → Materiales

Ciencia de los Materiales

Investiga la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales.

Ingeniería de los Materiales

Se fundamenta en estas relaciones para diseñar o proyectar la estructura de un material con el fin de lograr un conjunto específico de propiedades.

Clasificación de Materiales por Estructura Atómica

Cristales

Los compuestos tienen una disposición ordenada en su espacio tridimensional.

Amorfos

Los compuestos no tienen una dispersión ordenada en el espacio tridimensional.

Cuasicristalinos

Los compuestos presentan una disposición que combina características ordenadas y desordenadas en el espacio tridimensional.

Enlaces Secundarios

• Puentes de Hidrógeno
• Fuerzas de Van der Waals

Tipos Principales de Materiales

Metales

• Conductores eléctricos
• Maleables
• Deformables
• Dúctiles

Ejemplos: Aluminio, Hierro, Cobre, Plata.

Cerámicos

• Frágiles
• Aislantes térmicos y eléctricos
• No deformables
• Pesados

Ejemplos: Arena, Grava, Óxidos.

Polímeros

• Compuestos orgánicos (derivados del petróleo)
• Malos conductores
• Ligeros
• Flexibles

Ejemplos: Glucosa, ADN, Resina, Nylon, PVC.

Materiales Compuestos

Las propiedades del material dependen de los materiales que lo componen y de cómo se combinan.

Ejemplos: Aleaciones, Aceros, Polímeros modificados.

Semiconductores y Superconductores

(Conceptos no definidos en este segmento, pero se mencionan como categorías de materiales avanzados).

Fase Continua y Fase Dispersa

Fase Continua: Material que se encuentra en mayor proporción y al cual se desea modificar sus propiedades.

Fase Dispersa: Material que se encuentra disperso en la fase continua y es el responsable de modificar sus propiedades.

Estructuras Cristalinas

Cristal

Disposición ordenada de los átomos en el espacio tridimensional, determinada por las características químicas de los elementos que componen el material.

Poliedro

Cuerpos limitados por caras planas y con volumen definido.

Cubo

Un poliedro de 6 caras. Las aristas representan los átomos y los unen enlaces.

Celda Unidad

Es la representación de la disposición química y la estructura microscópica del cristal. Una celda unidad es la representación mínima en el espacio tridimensional que, al repetirse, genera la estructura completa del cristal.

Nanocristalinos

Materiales con estructura ordenada a escala nanométrica.

Tipos de Cristales

Monocristales

Se caracterizan por ser cristales casi perfectos cuyo tamaño se asimila al del cristal mismo, presentando una única orientación cristalográfica.

Policristales

Son una mezcla de cristales (granos) de diferentes tamaños y orientaciones.

Celdas Unidad

Su repetición garantiza la uniformidad de la estructura cristalina en todas las direcciones.

Tipos Comunes de Celdas Unidad

• Cúbica Simple (CS): 1 átomo por celda.
• Cúbica Centrada en las Caras (FCC): 4 átomos por celda.
• Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): 2 átomos por celda.
• Hexagonal Compacta (HCP): 6 átomos por celda.

Factor de Empaquetamiento Atómico (FEA)

FEA = V_a / V_c

Es la relación entre el volumen de los átomos que ocupan la celda unidad (V_a) y el volumen total de la celda (V_c).

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC)

Estructura Hexagonal Compacta (HCP)

Clasificación de Cristales por Tipo de Enlace

Cristales Iónicos

• Formados por iones positivos y negativos unidos mediante fuerzas de naturaleza electrostática.
• Malos conductores de calor y electricidad.
• Duros y frágiles.

Cristales Covalentes

• Extremadamente duros y difíciles de deformar.
• Malos conductores de calor y electricidad.

Ejemplos: Diamante (sólido), Butano (gas), Agua (líquido).

Cristales Moleculares

• Las moléculas están unidas por fuerzas de Van der Waals.
• Conductividad nula.
• Deformables.
• Puntos de fusión bajos.

Cristales Metálicos

• Poseen pocos electrones débilmente ligados en sus capas más externas.
• Los iones metálicos están cargados positivamente.
• Presentan una conductividad eléctrica muy alta debido a sus electrones libres (mar de electrones).

Defectos en Materiales

Defectos Puntuales

Sustitucional

Una posición atómica está ocupada por un átomo de distinta especie.

Intersticial

Un átomo se sitúa en un sitio intermedio entre posiciones estructurales normales.

Vacancia

Un átomo abandona su sitio reticular. Puede situarse en un lugar intersticial (Defecto de Frenkel) o emigrar a la superficie, a menudo con otro ion de signo opuesto para mantener la neutralidad (Defecto de Schottky).

Defectos Lineales

Dislocación de Borde

Se produce por la inserción de un semiplano extra de átomos en la estructura cristalina.

Dislocación Helicoidal o de Tornillo

Se forma cuando una parte del cristal se desplaza respecto a la otra, creando una rampa espiral alrededor de la línea de dislocación.

Defectos Bidimensionales

Son el resultado de una anomalía en un plano reticular. Se pueden producir defectos de apilamiento en una secuencia de planos en una estructura cristalina.

Mosaico

Dentro de un monocristal, existen zonas con ligeras desorientaciones cristalográficas.

Monocristal (revisión de concepto)

Los planos formados por átomos son únicos y de gran tamaño, produciendo cristales de tamaño uniforme y una única orientación cristalográfica.

Policristales (revisión de concepto)

Los planos formados por átomos varían en tamaño y orientación, formando cristales diversos (granos).

Dislocación de Tornillo (detalle)

Se caracteriza por la formación de una rampa espiral alrededor de la línea de dislocación al modificar un plano de átomos.

Defectos Volumétricos

Son creados por deficiencias o anomalías durante el proceso de manufactura.

Inclusiones

Partículas incrustadas en el material con diferentes características y composiciones químicas que afectan las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas.

Grietas

Son líneas de fracturas o separaciones en el material, afectando principalmente a las propiedades mecánicas.

Poros

Huecos en el material que afectan las propiedades ópticas y térmicas. Se forman por atrapamiento de gases durante la solidificación o procesamiento.

Contracción

Se forman debido a la disminución de volumen de los metales durante la solidificación.

Representación de Vacancias