Tipología de materiales - Clasificación
Podemos clasificar los materiales existentes en 3 grandes grupos:
Esta clasificación está basada en una visión clásica de la estructura de los materiales y el criterio que se sigue es el de la tipología de enlace que se establece entre los átomos que lo constituyen.
Se consideran 2 niveles de enlace, el enlace primario que mantiene unidos los átomos que forman la estructura y el enlace secundario que se puede formar entre las moléculas del material por la existencia de hidrógenos (puentes de hidrógeno) y/o dipolos permanentes.
En el nivel de enlace primario se distinguen 3 tipos:
Ya desde hace algunos años se estudia una nueva tipología de materiales, son los denominados materiales compuestos. Estos materiales son combinaciones de dos o más materiales de los grupos anteriormente indicados y en los últimos años se han realizado ingentes estudios para desarrollar sinergias que complementen y en algunos casos mejoran las propiedades mecánicas, térmicas y químicas, entre otros, de los materiales de partida.
Relación entre estructura, propiedades y procesabilidad
A. Estructura La estructura de los materiales se puede estudiar desde diversos puntos de vista o niveles de organización según la escala que consideremos; como norma general consideramos los cuatro niveles siguientes:
(a) 
(b)
(c) 
(d)
Defectos en sólidos cristalinos. Algunas de las características específicas se consiguen deliberadamente introduciendo cantidades controladas de defectos particulares.
Un “defecto cristalino” es una irregularidad de red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente según la geometría o las dimensiones del defecto.
Ductilidad. Es la capacidad de un material para deformarse plásticamente y que depende de la capacidad de las dislocaciones de su estructura para moverse.
Podemos clasificar los materiales existentes en 3 grandes grupos:
Esta clasificación está basada en una visión clásica de la estructura de los materiales y el criterio que se sigue es el de la tipología de enlace que se establece entre los átomos que lo constituyen.
Se consideran 2 niveles de enlace, el enlace primario que mantiene unidos los átomos que forman la estructura y el enlace secundario que se puede formar entre las moléculas del material por la existencia de hidrógenos (puentes de hidrógeno) y/o dipolos permanentes.
En el nivel de enlace primario se distinguen 3 tipos:
- Enlace iónico. La unidad es el ion y tiene energías de enlace de entre 600 y 1000 KJ/mol. Los materiales con enlace iónico poseen durezas y temperaturas de fusión elevadas, son buenos aislantes y presentan fragilidad.
- Enlace covalente. La unidad es el átomo y tiene energías de enlace de aproximadamente 500 KJ/mol. Los materiales con enlace covalente, al igual que los de enlace iónico, tienen dureza y temperaturas de fusión elevadas y también son aislantes y frágiles.
- Enlace metálico. La unidad es el ion y sus electrones y tiene energías de enlace de entre 70 y 700 KJ/mol.
Ya desde hace algunos años se estudia una nueva tipología de materiales, son los denominados materiales compuestos. Estos materiales son combinaciones de dos o más materiales de los grupos anteriormente indicados y en los últimos años se han realizado ingentes estudios para desarrollar sinergias que complementen y en algunos casos mejoran las propiedades mecánicas, térmicas y químicas, entre otros, de los materiales de partida.
A. Estructura La estructura de los materiales se puede estudiar desde diversos puntos de vista o niveles de organización según la escala que consideremos; como norma general consideramos los cuatro niveles siguientes:
atómica < cristalina < granular < fásica
(a) 
(b)
(c) 
(d)
Imagen 1. Representación estructura (a) atómica, (b) cristalina, (c) granular, (d) fásica.
- La estructura atómica determina el tipo de enlace y las propiedades químicas y físicas. Se desarrollará un módulo donde se explicará la estructura atómica de los elementos de la tabla períodica.
- La organización de los átomos en el espacio, en estructuras cristalinas o amorfas, determina también las propiedades. En el módulo de estructuras en sólidos se discutirá sobre la disposición que adoptan los átomos en el estado sólido.
- El tamaño y la forma de los granos tienen un papel muy importante en las propiedades.
- Más adelante veremos tratamientos térmicos (quenching, recocido, etc.) que pueden alterar estas características de nuestro material y, que por tanto, nos permitirán variar las propiedades finales.
- El tipo, tamaño, distribución y cantidad de fases facilitan un medio de control de las propiedades.
- Estas características se pueden modular a través de la aplicación de los tratamientos térmicos anteriormente mencionados y que explicaremos en un apartado especial.
- La presencia de defectos en la estructura también modifica las propiedades.
Defectos en sólidos cristalinos. Algunas de las características específicas se consiguen deliberadamente introduciendo cantidades controladas de defectos particulares.
Un “defecto cristalino” es una irregularidad de red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente según la geometría o las dimensiones del defecto.
El más simple de los defectos puntuales es la vacante, o vacante de red, lugar normalmente ocupado por un átomo ahora ausente. Las vacantes se producen durante la solidificación y también como consecuencia de las vibraciones, que desplazan los átomos de sus posiciones reticulares normales.
Imagen 2. Defecto puntual de vacante.
En equilibrio, el número de vacante Nv= N exp ( -Qv / (k T) )
Un defecto autointersticial es un átomo de un cristal que se ha desplazado a un lugar intersticial, un espacio vacío pequeño que ordinariamente no está ocupado.
Dislocaciones. Defectos
lineales. Una dislocación es
un defecto lineal o unidimensional en torno a algunos átomos desalineados. Una
porción extra de un plano de átomos, o semiplano, cuya arista termina dentro
del cristal. Esta dislocación se denomina dislocación de arista; es un
defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del
semiplano de átomos extra. A veces se denomina dislocación de línea.
(e) Los límites de fase
aparecen en materiales polifásicos donde aparece un cambio radical en las
características físicas y/o químicas. En los materiales ferromagnéticos y
ferrimagnéticos, los límites que separan regiones que tienen diferentes
direcciones de magnetización se denominan paredes de dominio.
Imagen 3. Defecto intersticial; si el átomo fuese del mismo elemento sería un defecto autointersticial.
Imagen 4. Dislocación de arista (defecto lineal).
Otro tipo de dislocación,
llamada dislocación helicoidal, se forma al aplicar un esfuerzo
cizallante, la parte superior de la región frontal del cristal desliza una
unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior.
Imagen 5. Dislocación helicoidal.
Defectos interfaciales. Los defectos interfaciales son límites de grano que
tienen dos direcciones y normalmente separan regiones del material que tienen
diferentes estructura cristalina y/o orientación cristalográfica.
Los defectos de superficie incluyen (a) superficies externas, (b) límites de grano, (c) límites de macla, (d) defectos de apilamiento y (e) límites de fase.
Los defectos de superficie incluyen (a) superficies externas, (b) límites de grano, (c) límites de macla, (d) defectos de apilamiento y (e) límites de fase.
(a) Superficies externas. La superficie externa constituye uno de los límites
más evidentes, se considera una imperfección puesto que representa el límite de
la estructura cristalina, donde termina. Los átomos superficiales no están
enlazados con el máximo de vecinos más próximos y, por lo tanto, están en un
estado energético superior que los átomos de las posiciones interiores. Los
enlaces no realizados de estos átomos superficiales aumentan la energía
superficial expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m2
o erg/cm3). Los materiales tienden a minimizar el área total de la
superficie para disminuir esta energía. Por ejemplo, los líquidos adquieren la
forma que tenga área mínima: las gotas adoptan la forma esférica. Desde luego,
esto no es posible en los sólidos, que son mecánicamente rígidos.
(b) Límites de grano. El límite de grano se define como el límite que
separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferentes orientaciones
cristalográficas en materiales policristalinos. Los límites de grano son,
químicamente, más reactivos que los propios granos como consecuencia de la
energía de este límite.
Imagen 6. Limites de grano.
(c) Límites de macla. Un límite de macla es un tipo especial de
límite de grano a través del cual existe una simetría de red especular. La
región de material entre estos límites se denomina macla. Las maclas se
generan por desplazamientos atómicos producidos al aplicar fuerzas mecánicas
cizallantes y también durante tratamientos térmicos de recocido posteriores a
la deformación.
Imagen 7. Limites de macla.
(d) Los defectos de
apilamiento aparecen cuando se interrumpe la secuencia de apilamientos de
plano de átomos compactos.
Imagen 8. Defectos de apilamiento.
- La difusión de átomos en un sólido, modifica igualmente las propiedades del material por distorsión de la estructura.
- Más adelante veremos difusión en el estado sólido y, como este proceso, puede ayudarnos a mejorar las propiedades de nuestro material de partida.
Imagen 9. Estructura amorfa.
B. Propiedades. Están relacionadas con la composición química y con la ordenación espacial de sus constituyentes y, esta a su vez, está relacionada con el tipo de enlace que depende de la estrutura atómica. Las propiedades de los materiales pueden modificarse mediante la introducción de impurezas en su estructura (que modifican la composición) o mediante la aplicación de procesos de conformación (que alteran la ordenación espacial de los constituyentes), tal y como veremos en un módulo especial.
- Mecánicas
Ductilidad. Es la capacidad de un material para deformarse plásticamente y que depende de la capacidad de las dislocaciones de su estructura para moverse.
Rigidez.
Dureza. Es la propiedad de resistencia al rallado y está relacionado con la capacidad de los materiales de que otros materiales penetren en su estructura.
Térmicas.
Ópticas.
Dureza. Es la propiedad de resistencia al rallado y está relacionado con la capacidad de los materiales de que otros materiales penetren en su estructura.
- Físicas
Eléctricas. Están relacionadas con la distribución de los electrones de los átomos en la estructura y se pueden alterar por la introducción en la misma de elementos conductores o semiconductores que ceban la estructura de electrones o por el contrario se podrían añadir elementos que impediesen la movilidad de los mismos.
Los materiales sólidos muestran un sorprendente intervalo de conductividades eléctricas, el cual se extienden unos 27 órdenes de magnitud; probablemente ninguna otra magnitud física experimenta tan amplia variación. De hecho, una manera de clasificar a los materiales sólidos es según la facilidad o dificultad para conducir la corriente eléctrica; dentro de este tipo de clasificación existen tres grupos; conductores, semiconductores y aisladores.
Los metales son buenos conductores, típicamente tienen conductividades del orden de 107 (W • m)-1. En el otro extremo están los materiales con muy bajas conductividades que van desde 10-10 a 10-20 (W • m)-1. Estos son los aisladores eléctricos. Materiales con conductividades intermedias, generalmente entre 10-6 y 104 (W • m)-1 se denominan semiconductores.
Los materiales sólidos muestran un sorprendente intervalo de conductividades eléctricas, el cual se extienden unos 27 órdenes de magnitud; probablemente ninguna otra magnitud física experimenta tan amplia variación. De hecho, una manera de clasificar a los materiales sólidos es según la facilidad o dificultad para conducir la corriente eléctrica; dentro de este tipo de clasificación existen tres grupos; conductores, semiconductores y aisladores.
Los metales son buenos conductores, típicamente tienen conductividades del orden de 107 (W • m)-1. En el otro extremo están los materiales con muy bajas conductividades que van desde 10-10 a 10-20 (W • m)-1. Estos son los aisladores eléctricos. Materiales con conductividades intermedias, generalmente entre 10-6 y 104 (W • m)-1 se denominan semiconductores.
Magnéticas.
Térmicas.
Ópticas.
- Químicas
Corrosividad. La corrosividad es la propiedad que tienen los materiales de deteriorarse a consecuencia de un ataque electroquímico de su entorno. Es una tendencia general que tienen los materiales de buscar su forma más estable o de menor energía interna. Es un proceso natural y espontáneo que no siempre resulta negativo, tal y como comentaremos en el módulo materiales metálicos.
Es originada por una reacción electroquímica = la oxidación (la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión).
Es originada por una reacción electroquímica = la oxidación (la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión).
C. Procesabilidad. Mediante la aplicación de fuerzas de diversa tipología (presión, cizalla, tracción, etc.) podemos procesar los materiales para cambiar su geometría espacial en los tres ejes dimesionales. Cada grupo de materiales posee unas propiedades de procesabilidad caracteristicas y que están relacionadas con la estructura del material. Por ejemplo, los materiales cerámicos no pueden ser procesados mediante conformado por laminación (a temperatura ambiente) debido a su bajo capacidad de deformación plástica en estas condiciones; cuando se supera el límite elástico del material (valores de E muy bajos), éste se fractura de forma frágil, a diferencia de los materiales metálicos que poseen más capacidad de deformación plástica antes de ruptura.
Imagen 10. Curva de fuerza-elongación en materiales cerámicos.
- En otro módulo veremos procesabilidad de materiales (laminación, moldeado, extrusión, hilado, etc.) y como los procesos pueden alterar la estructura de los materiales y por ende sus propiedades finales.
Esta sección se irá ampliando gradualmente a lo largo de las próximas semanas.
Gracias por dedicar tu tiempo a la lectura de esta entrada; si detectas cualquier error y deseas informarnos, estaremos encantados de recibir tú comunicación.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada