Estructura................................................................................................ 9 Propiedades mecánicas físicas de los polímeros....................... !"
El arreglo at'mico uega un papel importante en la determinaci'n de microestructuras en el comportamiento de un material s'lido. En este apartado se descri&irán arreglos at'micos típicos de los materiales s'lidos se desarrollará la nomenclatura utiliada para descri&irlos. *a estructura física de los s'lidos es consecuencia de la disposici'n de los átomos+ moléculas o iones en el espacio+ así como las fueras de intercone,i'n de las partículas+ con normalidad se encuentran dos clases de estados de organiaci'n de un material s'lido Estado amorfo- *as partículas componentes del s'lido se agrupan al aar. Estado cristalino- *os átomos (moléculas o iones) /ue componen el d'lido se disponen seg0n un orden regular. *as partículas se sit0an ocupando nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional. *os metales+ las aleaciones determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas. *os átomos /ue pertenecen a un s'lido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional /ue se denomina retículo espacial o cristalino . 1ico retículo espacial se puede definir como una repetici'n en el espacio de celdas unitarias. *a celda unitaria de la maoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o primas con tres conuntos de caras paralelas. 3eg0n el tipo de enlace+ los cristales pueden ser de tres tipos Cristales i'nicos- Punto de fusi'n ele4ado+ duros frágiles+ conducti4idad eléctrica &aa presentan cierta elasticidad. E. 5aCl (sal com0n). Cristales co4alentes- ran durea ele4ada temperatura de fusi'n. 3uelen ser transparentes+ /ue&radios malos conductores de la electricidad. 5o sufren deformaci'n plástica (es decir+ al intentar deformarlos se fracturan). E. 1iamante. Cristales metálicos- 7pacos &uenos conductores térmicos eléctricos. 5o son tan duros como los anteriores+ aun/ue sí malea&les d0ctiles. E. ierro (e)+ Esta:o (3n)+ Co&re (Cu)+ etc. *a red cristalina difiere de un material a otro tanto en tama:o como en forma+ dependiendo del tama:o de los átomos del tipo de enlace /ue a entre ellos. *a estructura cristalina de un material se refiere al tama:o+ la forma la organiaci'n at'mica dentro de la red.
1.1 Celda unitaria
*a
celda unitaria es la su&di4isi'n de la red cristalina /ue sigue conser4ando las 2
características generales de toda la red. En esta parte+ se e,plicará la celda unitaria la estructura cristalina . El orden característico de los s'lidos cristalinos nos permite tener la imagen de un cristal completo con tan solo o&ser4ar una pe/ue:a parte de éste. ;/uel s'lido /ue se considera cristalino tiene un arreglo de sus moléculas &ien definido ordenado+ en cam&io los s'lidos amorfos tienen arreglos irregulares desordenados. /ue se apilan para formarlo+ éstos se llaman celdas unitarias.
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Como se o&ser4a+ la ilustraci'n anterior es una red cristalina+ /ue es una arreglo peri'dico de puntos /ue definen un espacio. *a celda unitaria (fracci'n som&reada) es una su&di4isi'n de la red /ue sigue conser4ando las características de la red. 3e identifican !? tipos de celdas unitarias o redes de Bravais agrupadas en siete sistemas cristalinos. *os puntos de red están localiados en las es/uinas de las celdas unitarias + en algunos casos+ en cual/uiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. 1icas celdas unitarias tienen propiedades arreglos &ien diferenciados entre sí@ a continuaci'n se muestra la clasificaci'n de dicos arreglos Estructura c0&ica- C0&ica simple+ c0&ica centrada en las caras c0&ica centrada en el cuerpo. Aetragonal- Aetragonal simple tetragonal centrada en el cuerpo. 7rtorr'm&ica- 7rtorr'm&ica simple+ ortorr'm&ica centrada en el cuerpo+ ortorr'm&ica centrada en las &ases ortorr'm&ica centrada en las caras. #om&oédrica- #om&oédrica. Monoclínica- Monoclínica simple monoclínica centrada en las &ases. Ariclínica- Ariclínica. *os parámetros de la red+ /ue descri&en el tama:o la forma de la celda unitaria+ incluen las dimensiones de los costados de la celda unitaria los ángulos entre sus costados. En un sistema cristalino c0&ico+ solamente es necesaria la longitud de uno de los costados del cu&o para descri&ir por completo la celda. 3e re/uieren 4arios parámetros de red para definir el tama:o la forma de una celda unitaria más complea. Cada una de las celdas unitarias está definida por un n0mero específico de puntos de red !. Por eemplo+ las es/uinas de las celdas se identifican fácilmente+ igual /ue las posiciones de centrado en el cuerpo (centro de la celda) centrado en las caras (centrado en las seis caras de la celda). ;l contar el n0mero de puntos de red /ue corresponden a cada celda unitaria+ se de&en identificar los puntos de red /ue 4an a ser compartidos por más de una celda unitaria.
(
! átomo 8 esquinas
)(
8
esquinas celda
)
=
!
átomo celda unitaria
*as es/uinas contri&uen con !B8 de un punto+ las caras con !B2 las posiciones en el centro contri&uen con todo un punto. El n0mero de átomos por celda unitaria es el producto del n0mero de átomos por punto de red multiplicado por el n0mero de puntos de red e,istentes por celda unitaria.
!
El término =punto de red> ace referencia a los átomos /ue están contenidos en la celda unitaria.
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1.2 Planos cristalográficos
Es posi&le localiar ciertos puntos+ como las posiciones de los átomos en la red o en una celda unitaria+ construendo el sistema de coordenadas de la siguiente figura. *a distancia se mide en funci'n del n0mero de parámetros de red /ue a&rá /ue mo4erse en cada una de las coordenadas x + y z para pasar desde el origen asta el punto en cuesti'n. *as coordenadas se e,presan como tres distancias+ separando cada n0mero con comas como se o&ser4a a continuaci'n-
Ciertos planos de átomos en un cristal son significati4os- por eemplo+ los metales se deforman a lo largo de a/uellos planos de átomos /ue están empa/uetados más estrecamente. 3e utilian los índices de Miller como una notaci'n a&re4iada para identificar estos planos importantes+ tal como se descri&e el procedimiento siguiente. 6
1. Ddentificar los puntos en los cuales el plano intersecta con los ees de coordenadas x + y z en funci'n del n0mero de parámetros de red. 3i el plano pasa a tra4és del origen+ el origen del sistema de coordenadas de&erá mo4erse en la direcci'n y
positi4a. 2. Aomar los recíprocos de las intersecciones. 3. Eliminar las fracciones pero no reducir a los mínimos enteros. ?. Encerrar los n0meros resultantes entre paréntesis (). 1e nue4o+ los n0meros negati4os se escri&irán con una &arra so&re los mismos. 7&ser4emos un eemplo en la celda unitaria-
2. Materiales poliméricos
*os polímeros+ /ue a&arcan materiales tan di4ersos como los plásticos+ el ule+ el cauco adesi4os. 3on moléculas orgánicas gigantes en cadena+ sus pesos moleculares 4an desde !" mil asta más de ! mill'n de gBmol. F al proceso mediante el cual moléculas pe/ue:as se unen para crear moléculas =gigantes> se le llama polimeriaci'n. *os polímeros se utilian en mucísimas aplicaciones /ue incluen aparatos domésticos+ uguetes+ elementos estructurales+ recu&rimientos+ pinturas+ adesi4os+ neumáticos de autom'4il+ espumas+ empa/ues otros@ son materiales ligeros+ resistentes a la corrosi'n+ de &aa resistencia no son adecuados a temperaturas altas+ son econ'micos fácilmente conforma&les en una gran di4ersidad de formas tama:os+ /ue 4an desde &olsas de plástico asta engranes industriales. *os polímeros industriales o ingenieriles se dise:an para dar meor resistencia o meor rendimiento a temperaturas ele4adas. =Estos polímeros se producen en cantidades pe/ue:as son relati4amente costosos>+ algunos polímeros ingenieriles pueden resistir temperaturas de asta ?"" GC+ algunos otros en forma de firmas pueden llegar a tener resistencias superiores a las del acero. *a maor parte de los polímeros son aislantes eléctricos+ algunos polímeros especiales compuestos &asados en polímeros &rindan una conducti4idad eléctrica 0til@ por eemplo el teflón (politetrafluoroetileno) presenta &aos coeficientes de fricci'n sir4en como recu&rimientos para utensilios de cocina como antiaderentes+ algunos polímeros son resistentes a los ata/ues /uímicos así como a la corrosi'n. Clasificaci'n de los polímeros3e pueden clasificar de 4arias formas+ seg0n la manera en /ue las moléculas son sintetiadas+ tam&ién en funci'n de su estructura molecular por su familia /uímica. Para ingeniería el método más utiliado es en funci'n de su comportamiento mecánico térmico. Termoplásticos: Están compuestos por moléculas pe/ue:as+ llamadas mon'meros+ su
comportamiento es d0ctil plástico+ cuando se calientan+ se pueden conformar en m0ltiples formas tama:os se pueden reciclar con facilidad.
Termoestables: orman estructuras de redes tridimensionales+ son más resistentes pero
más frágiles /ue los termoplásticos. 3on difíciles de reciclar+ pues una 4e /ue se solidifican (formaci'n de enlaces cruados) es más complicado romper dicos enlaces para fundir de nue4o estos materiales.
Elastómeros: Dncluen al cauco tienen una estructura intermedia+ tienen la capacidad de
deformarse elásticamente sin cam&iar de forma permanente.
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2.1 Estructura
7&ser4emos la siguiente ilustraci'n+ la cual muestra la estructura de los polímeros arri&a mencionados+ siendo la primera+ la estructura de los termoplásticos+ la segunda la de los termoesta&les la 0ltima de los elast'meros-
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
Para a&ordar el estudio de la estructura de los polímeros se suelen considerar dos ni4eles+ estructura /uímica estructura física. *a estructura /uímica se refiere a la construcci'n de la molécula indi4idual+ la estructura física al ordenamiento de unas moléculas respecto a otras. Comenaremos a&ordando la estructura /uímica de los polímeros+ por tanto estudiaremos el efecto de la naturalea de los átomos /ue constituen la cadena principal. ;ora &ien+ cuando se ace referencia a la estructura física de los polímeros se trata &ásicamente de la orientaci'n cristalinidad+ /ue dependen en gran medida de la estructura /uímica a su 4e condicionan el comportamiento del material durante el procesado durante su 4ida 0til. Más adelante se mencionarán las propiedades /ue este clase de materiales tienen+ además de los más utiliados a ni4el industrial algunas características propias de cada uno de los 4ariados tipos de polímero. 9
2.2 Propiedades mecánicas físicas de los polímeros
; pesar /ue los distintos plásticos presentan grandes diferencias entre su composici'n estructura+ a una serie de propiedades comunes a todos ellos /ue los distinguen de otros materiales. Ensaos de tracci'n*os ensaos de tracci'n son una medida de la respuesta de un material ante una fuera /ue tiende a estirarlo. 1e estos ensaos se suele o&tener informaci'n so&re la resistencia a la tracci'n+ elongaci'n m'dulos. *os aparatos para realiar los ensaos de tracci'n constan de un &rao fio uno m'4il+ am&os dotados con unas mordaas donde se suetan las pro&etas. *os &raos se separan a una 4elocidad constante mientras se determina la carga la e,tensi'n. *as pro&etas /ue se emplean en los ensaos de tracci'n normalmente se preparan mediante inecci'n o compresi'n+ o tam&ién se pueden o&tener recortándolas de onas planas de las pieas a transformadas. *as pro&etas de&en tener unas dimensiones normaliadas+ /ue pueden 4ariar seg0n la aplicaci'n. En la siguiente figura se muestran las mordaas una pro&eta de tipo alterio.
Ensaos de fle,i'n*a resistencia a la fle,i'n de un material es su capacidad de soportar fueras aplicadas en su longitudinal. *os esfueros inducidos por una carga de fle,i'n son realmente una com&inaci'n de esfueros de tracci'n+ compresi'n cialla+ como se muestra en la siguiente figura. Propiedades de fle,i'n se calculan referidas al esfuero deformaci'n /ue se producen en la superficie e,terna a la pro&eta empleada. !"
*as pro&etas empleadas en los ensaos de fle,i'n son paralelepípedos de material presentan la 4entaa so&re las de tracci'n de /ue son más fáciles de preparar dada su forma+ además el alineamiento de las pro&etas en el e/uipo es muco más sencillo no pro4ocan concentraci'n de esfueros en ciertos puntos+ como puede ocurrir en los ensaos de tracci'n. Ensaos de compresi'n3e emplean para estudiar el comportamiento del material cuando está sueto a una carga compresi4a a una 4elocidad de carga relati4amente alta uniforme. ; pesar de /ue en mucas aplicaciones los plásticos están suetos a cargas de compresi'n+ estos ensaos tienen aplicaciones limitadas.
Ensaos de impacto3e define la resistencia al impacto como la energía a&sor&ida por un material por unidad de área ante un impacto. *a capacidad de a&sor&er energía depende solo del material+ sino tam&ién de su forma+ tama:o+ espesor+ etc. !!
3. Materiales cerámicos
*os materiales cerámicos son compuestos /uímicos o soluciones compleas+ /ue contienen elementos metálicos no metálicos. *os materiales cerámicos tienen una amplia gama de propiedades mecánicas físicas. *as aplicaciones 4arían desde los productos de alfarería+ fa&ricaci'n de ladrillos auleos+ utensilios de cocina+ 4idrio+ materiales refractarios+ imanes+ dispositi4os eléctricos+ fi&ras a&rasi4os. 1e&ido a sus enlaces i'nicos co4alentes+ los materiales cerámicos por lo general son duros+ frágiles con un alto punto de fusi'n+ tienen &aa conducti4idad eléctrica térmica+ &uena esta&ilidad /uímica térmica+ ele4ada resistencia a la compresi'n. 3in em&argo+ a 4eces constituen un enigma+ pues aun/ue de eco son frágiles+ algunos compuestos con matri cerámica (como el 3i $5? H 3iC) tienen 4alores de tenacidad a la fractura superiores a los de algunos metales (como las aleaciones de aluminio endurecidas por en4eecimiento) e incluso algunos son superelásticos.
3.1 Estructura propiedades
5aCl+ de &lenda (In3) de fluorita (Ca 2). 3in em&argo la maoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas 4ariadas. Propiedades mecánicas3on duros frágiles a temperatura am&iente de&ido a su enlace i'nicoBco4alente ( al aplicar una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando rotura del enlace )+ este eco supone gran limitaci'n en su n0mero de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. 3on deforma&les a ele4adas temperaturas a /ue se permite el desliamiento de &ordes de grano. Propiedades magnéticas5o suelen presentar propiedades magnéticas+ sin em&argo podemos encontrar cerámicos con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas ranates. Jstos son los llamados cerámicos ferromagnéticos. En este tipo de materiales+ los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos+ esto conduce a /ue al aplicar un campo magnético se produca como resultado una imantaci'n neta. Propiedades eléctricas3on en su maoría aislantes eléctricos de&ido a /ue tienen una alta resistencia dieléctrica &aa constante dieléctrica. ;lgunos de ellos presentan propiedades dieléctricas como es la facilidad de polariarse. !2
Propiedades térmicas*a maoría de los materiales cerámicos tienen &aas conducti4idades térmicas de&ido a sus fuertes enlaces i'nicoBco4alentes. *a diferencia de energía entre la &anda de co4alencia la &anda de conducci'n en estos materiales es demasiado grande como para /ue se e,citen mucos electrones acia la &anda de conducci'n+ por este eco son &uenos aislantes térmicos. 1e&ido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios+ son utiliados en las industrias metal0rgicas+ /uímicas cerámicas del 4idrio.
4. #esumen conclusiones
3a&emos /ue las propiedades+ apariencia física comportamiento en prue&as mecánicas de los materiales dependen directamente de su estructura molecular+ la forma en /ue sus átomos o moléculas están dispuestos. Cada clase de material+ a sea metálico+ polimérico o cerámico tiene aplicaciones en los distintos ám&itos de la industria+ pero no simplemente utiliar los distintos materiales apro4ecar sus cualidades es suficiente+ pues desde el punto de 4ista ingenieril tam&ién es necesario e imprescindi&le considerar el impacto am&iental /ue éstos pro4ocan. Conocer a profundidad la naturalea de los materiales facilita al ingeniero la tarea de c'mo d'nde utiliarlos@ apro4ecarlos como elementos primordiales en mucos procesos industriales+ para la fa&ricaci'n de ma/uinaria+ la manufactura de productos+ la ela&oraci'n de erramientas e instrumentos utiliados en la 4ida diaria otorgar cierta =sencille> a tareas cotidianas. 3a&er utiliar los materiales es causa del desarrollo tecnol'gico la inno4aci'n+ así pues+ de la mano con la in4estigaci'n científica como medio de &0s/ueda de nue4os meores materiales+ propician tam&ién el ni4el econ'mico de una sociedad+ pues si consideramos /ue e,isten m0ltiples factores /ue se allan limítrofes al conocimiento de los materiales@ el ingeniero a su 4e tendrá /ue tomar en cuenta /ue utiliar correctamente dicos materiales le mostrará como resultado un &uen desempe:o en lo /ue sea /ue aa desarrollado aplicando los materiales+ de lo contrario+ o&tendría como respuesta un mal funcionamiento de los mecanismos o dispositi4os con /ue le aa fa&ricado+ presentando m0ltiples frecuentes fallas+ representando tam&ién un gasto innecesario latente /ue afectaría directamente el desarrollo crecimiento de una empresa en /ue éste la&ore.
5. %i&liografía ttp-BBies4illal&aer4astecnologia.files.Kordpress.comB2""9B"9BestructuraLcristalina.pdf ttp-BBKKK.ecured.cuBinde,.ppBEstructuracristalinadelosmetales ttps-BBdocs.google.comB4ieKerNurlOttp-BBi/.ua.esBAP7BAema!.pdf ttps-BBdocs.google.comB4ieKerurlOttp-BBKKK.uclm.esBprofesoradoBmaarranB1ocument osBalumnosmateriales""6BM;AE#D;*E322"CE#2C$28!MDC73.doc Ciencia de los materiales L ;sQeland !$