Estructuras en sólidos

En este módulo se discutirá sobre la disposición que adoptan los átomos y/o iones en el estado sólido.

Se introducirá el concepto de cristalinidad y no cristalinidad; y en los sólidos cristalinos se hablará del concepto de celda unidad y se presentarán las estructuras cristalinas más frecuentes en metales, polimeros y cerámicos.

Cristalinidad y celda unidad
Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se situán los átomos o iones. 

En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance con un patrón tridimensional que el material adquiere cuando solidifica. Los metales, muchas cerámicas y ciertos polímeros adquieren estructura cristalinas en condiciones normales de solidificación. 

El orden de largo alcance no existe en los materiales que no cristalizan. Estos materiales son los denominados no cristalinos  o amorfos.

El orden atómico de los sólidos cristalinos indica que grupos de átomos forman un patrón que se repite en el espacio. Al describir esta estructura conviene dividirla en las pequeñas entidades que se repiten.

Una celda unidad es la unidad tridimensional de repetición o patrón que adoptan los átomos o iones en la estructura cristalina. La celda unidad de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas.

Propiedades de los sólidos cristalinos
Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir, de la ordenación espacial de átomos, iones y moléculas.

Existen un elevado número de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atómico de largo alcance. Estas estructuras varían desde las relativamente simples a las excesivamente complejas de los materiales cerámicos y poliméricos. 

Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos (o iones) como esfera sólidas de diámetros bien definidos. El el denominado modelo atómico de esferas rígidas, en el cual las esferas representan átomos macizos en contacto.

Estructuras cristalinas de los metales
El enlace atómico de este grupo de materiales es metálico y de naturaleza no direccional. Por consiguiente, no hay restricciones en cuanto al número y posición de átomos vecinos más próximos; lo cual conduce, para la mayoría de los metales a estructuras cristalinas con gran número de vecinos muy próximos y densamente empaquetados. Utilizando el modelo de esferas rígidas mentado a la descripción de los metales, cada esfera representa un catión en la estructura cristalina.

Tabla 1. Radios atómicos y estructuras cristalinas de algunos metales 

La tabla 1 indica el radio atómico para algunos metales. La mayoría de los metales más corrientes cristaliza en una de las tres estructuras cristalinas siguientes: cúbica centrada en las cara, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

• Estructura cristalina cúbica centrada en las caras

Los átomos se localizan en los vértice y en los centros de todas las caras del cubo que representa la celda unidad. Cristalizan en esta estructura el cobre, aluminio, plata y oro.

Imagen 1. Estructura cristalina cúbica centrada en las caras: (a) representación de la celda unidad mediante esferas rígidas, (b) celda unidad representada mediante esferas reducidas.

• Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo

Algunos metales que adquieren esta estructura en el proceso de solidificación son: Fe(a), Cr, Ni, Mo, Ti (b), K, Na, Zr.

• Estructura cristalina hexagonal compacta

Algunos metales que adquieren esta estructura en el proceso de solidificación son: Mg, Co, Zr, Ti (a), Be, Zn y Cd.

Imagen 2. Estructuras cristalinas (a) Hexagonal compacta, (b) Cúbica centrada en el cuerpo.

Impurezas sólidas. La mayoría de los metales más familiares no son altamente puros, sino aleaciones en las cuales se añaden intencionadamente átomos extraños para conseguir un metal de características específicas. Corrientemente los metales se alean para conseguir resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.

Adicionando átomos de impurezas a un metal se forma una disolución sólida y/o una nueva segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, de su concentración y de la temperatura de la aleación.

Disoluciones sólidas. Una disolución sólida se forma cuando, al adicionar átomos de soluto a un material disolvente, la estructura cristalina se mantiene y no se forma ninguna otra nueva estructura.

Una disolución sólida también es composicionalmente homogénea; los átomos de impurezas se dispersan libre y uniformemente dentro del sólido.

En las disoluciones sólidas aparecen defectos puntuales, debido a las impurezas, de dos tipos: sustitucionales e intersticiales.

Imagen 3. Defectos puntuales en sólidos del tipo sustitucional.

En las disoluciones sólida con defectos puntuales del tipo sustitucional, los átomos de impurezas o soluto reemplazan o sustituyen a los átomos del disolvente. 

Existen varias condiciones entre átomos de disolvente y de soluto que determinan el grado de solubilidad. Una condición es el factor tamaño: cantidades apreciables de soluto pueden acomodarse en un disolvente sólido sólo si la diferencia entre los radios atómicos de ambos tipos de átomos es menor del +-15%. 

En otros términos: si los átomos del soluto crean grandes distensiones en la red, aparece una nueva fase. Otra condición es el denominado factor electroquímico. Cuanto más electropositivo es un elemento y más electronegativo el otro, mayor es la probabilidad de que formen un compuesto intermetálico, o una disolución sólida sustitucional. Además, influye la valencia relativa de los dos tipos de átomos. En igualdad de condiciones, un metal de valencia mayor tiene más tendencia a solubilizar que un metal de valencia inferior. El requisito final para la completa solubilidad en estado sólido es que ambos tipos de elementos tengan la misma estructura cristalina.

Imagen 4. Defectos puntuales en sólidos del tipo intersticial.

En las disoluciones sólidas con defectos puntuales del tipo intersticial, los átomos de impurezas llenan los vacíos o los intersticios atómicos del disolvente. Las posiciones intersticiales son relativamente pequeñas en los materiales metálicos que tienen factores de empaquetamiento relativamente elevados. Por consiguiente, los diámetros atómicos de las impurezas intersticiales deben ser considerablemente menores que los del disolvente.

El carbono forma disoluciones intersticiales al adicionarse al hierro; la concentración máxima de carbono es de un 2%. 

Imagen 5. Defectos de plano en sólidos del tipo límite de grano.

Otros defectos en sólidos que aparecen en estructuras cristalinas son los denominados defectos de línea o disolocaciones que pueden ser de diversos tipos: de arista, helicoidales, etc. En las disoluciones sólidas, fruto de las impurezas, también aparecen defectos en plano, tales como límites de grano, maclas o apilamientos.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Estructuras cristalinas de polímeros

Esta sección se irá ampliando gradualmente a lo largo de las próximas semanas.

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Procesabilidad de materiales

Se explicarán los distintos procesos mecánicos a los que pueden ser sometidos los materiales, las consecuencias que éstos producen en su estructura y por ende en las propiedades y, finalmente, en otro apartado específico, los tratamientos térmicos existentes y que se combinan con los procesos de conformación, entre otros. para obtener un producto (del material escogido) con las propiedades finales deseadas y que habitualmente acaba por ser la parte integrante de un conjunto (pieza).

Aún haciendo esta diferenciación entre técnicas de procesado y tratamientos térmicos, pensemos, que por ejemplo, en un proceso de laminado en caliente estamos sometiendo el material a ambos procesos de forma simultánea, como en el conformado en gradiente.

Desde el punto de vista atómico, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre los átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se mueven respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a sus posiciones originales. 

El mecanismo de esta deformación es diferente para materiales cristalinos y amorfos. En los materiales cristalinos, la deformación tiene lugar mediante un proceso denominado deslizamiento, en el cual está involucrado el movimiento de las dislocaciones. La deformación plástica en los sólidos no cristalinos ocurre por un mecanismo de flujo viscoso. 

A. Procesabilidad de metales

Ordinariamente, la ductilidad es sacrificada cuando una aleación es endurecida. La capacidad de un metal para deformarse plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones para moverse. Virtualmente todas las técnicas de refuerzo (o sea, de endurecimiento) se basan en este simple principio: “la restricción y el impedimento del movimiento de las dislocaciones convierte el material en más duro y resistente”.

1. Endurecimiento por deformación. El endurecimiento por deformación es un fenómeno por el cual un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. 

• Recuperación, recristalización y crecimiento del grano. Las estructuras y propiedades modificadas por la deformación plástica se pueden recuperar mediante tratamientos térmicos apropiados. Estos fenómenos de restauración resultan de distintos procesos que ocurren a temperaturas elevadas, recuperación y recristalización, después de los cuales puede ocurrir el crecimiento del grano. 

• Recuperación. Al aumentar la difusividad atómica a temperaturas elevadas las dislocaciones se mueven, también se produce alguna reducción en el número de dislocaciones, y las configuraciones de dislocaciones tienden a adoptar bajas energías de deformación en la red. 

• Las propiedades físicas tales como conductividades eléctricas y térmicas se recuperan hasta valores similares a los estados predeformados. 

• Recristalización. Aún después de la recuperación, los granos están todavía en un estado de alta energía de deformación. La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales libres de deformación que tienen baja densidad de dislocaciones, lo cual es una característica del material antes de ser deformado, proceso en el que tiene lugar difusión de corto alcance. 

• También, durante la recristalización, las propiedades que fueron modificadas durante el proceso de trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la deformación. La recristalización es un proceso cuya extensión depende tanto del tiempo como de la temperatura. 

• Crecimiento del grano. Después de que ha terminado la recristalización, los granos libre de deformación continúan creciendo si la muestra metálica es dejada a la temperatura elevada, fenómeno que se denomina crecimiento del grano. 

• El crecimiento del grano se produce por la migración de los límites de grano. El movimiento del límite de grano es justamente la difusión de corto alcance de los átomos de un lado a otro del límite de grano.

B. Procesabilidad de polímeros

Cuando hablamos de procesabilidad de polímeros hemos de distinguir entre termoplásticos, termoestables y elastómeros.

B.1. Termoplásticos

• Polietileno.
• Poloprileno.                                                                   
• PVC(Cloruro de Polivinilo)
• Acrílicos.
• Nailon.
• Polietileno.

B.2. Termoestables

• Baquelita(Resinas Fenólicas).
• Melamina(Formaldehído).
• Poliéster.

B.3. Elastómeros

C. Procesabilidad de cerámicos

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Tratamientos térmicos

Los tratamientos térmicos aquí mentados se aplican sobre metales para alterar sus estructuras cristalinas y así modificar sus propiedades, principalmente las mecánicas. Están basados en los cambios estructurales que se producen por la difusión de átomos, favorecida por la temperatura y, que tiene lugar a nivel molecular.

Dentro de los tratamientos térmicos se engloban todos aquellos procesos donde un material se calienta (sin llegar a fusión) y se enfría en un solo paso o secuencialmente, con tal de mejorar o recuperar, por ejemplo tras un proceso de trabajo mecánico, sus propiedades, fundamentalmente mecánicas, a través de cambios en su estructura cristalina, producidos tal y como se ha indicado, por difusión atómica favorecida con la temperatura.

Difusión

La difusión se rige por la 1ª Ley de Fick y es la responsable última de las alteraciones que se observan en las propiedades del material.

Imagen 1. Difusión en estado sólido.

J = -D (Dc/Dx)

Ecuación 1. 1ª Ley de Fick para calcular la velocidad de difusión atómica.

J: densidad de flujo

D: difusividad o coeficiente de difusión 

Dc/Dx: gradiente de concentración

D = D0 e –(Q/RT)

Ecuación 2. Efecto de la temperatura sobre el coeficiente de difusión.

La variación del coeficiente de difusión con la temperatura es característico de cada material; en la imagen 1 podemos ver los coeficientes de difusión de diversos metales.

Imagen 2. Efecto de la temperatura sobre el coeficiente de difusión de diversos elementos en metales.

Algunas aplicaciones industriales de la difusión en sólidos son:

• Endurecimiento de superfícies. 
• Cementación.
• Nitruración.
• Sinterizado. 
• Preparación de semiconductores extrínsecos.

Imagen 3. Tipología de piezas sobre las que se aplican tratamientos térmicos para endurecimiento de superfícies.

Imagen 4. Proceso de sinterizado de metales.

Tratamientos térmicos

A. Recocido. El término recocido se refiere al tratamiento térmico de un material expuesto a elevada temperatura durante un período de tiempo y, luego, enfriado lentamente. Corrientemente el recocido se lleva a cabo para (1) eliminar tensiones; (2) incrementar la plasticidad, ductilidad y tenacidad y/o (3) producir una microestructura específica.

Todo proceso de recocido consta de tres etapas: (1) calentamiento a la temperatura prevista, (2) mantenimiento a esta temperatura y (3) enfriamiento, generalmente hasta temperatura ambiente. El tiempo es un parámetro importante en estos procedimientos.

El tiempo de recocido debe ser suficientemente largo para permitir la necesaria reacción de transformación. La temperatura de recocido también es importante; el recocido se acelera al aumentar la temperatura, ya que representa un proceso de difusión.

Un proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frío, para ablandar y ductilizar el metal agrio. Durante su aplicación tienen lugar fenómenos de recuperación y de recristalización. Generalmente se prefiere una microestructura de grano fino; por tanto, el tratamiento térmico suele terminar antes de que ocurra un crecimiento de grano apreciable.

La oxidación superficial se puede prevenir minimizando la temperatura de recocido (siempre superior a la temperatura de recristalización) u operando en atmósfera no oxidante.

A pesar de que el apartado está dedicado al tratamientos térmicos en metales, éstos también se pueden aplicar a otra tipología de materiales pero con restricciones debido a las propiedades intrínsecas de los mismos.

B. Normalización. Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por laminación, constan de granos de perlita (y como máximo de una fase proeutectoide). Estos granos son relativamente y de forma irregular, pero de tamaño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado normalizado para afinarlos y producir una distribución de tamaños más uniforme. 

Los aceros perlíticos de grano fino son más tenaces que lo de grano grande. El normalizado se realiza calentando 55 a 85 ºC por encima de la temperatura crítica superior, que, naturalmente, depende de la composición. Después del tiempo suficiente para conseguir la completa transformación a austenita (procedimiento de austenización) el tratamiento termina enfriando al aire.

Imagen 5. Curvas de transformación de tratamientos térmicos.

C. Temple. El temple es un tratamiento térmico de enfriado rápido que produce el endurecimiento del acero; en contraposición el material se torna más frágil.

D. Revenido. El revenido, al igual que el temple, la normalización y el recocido, es un tratamiento térmico que permite controlar la dureza y fragilidad de los aceros; habitualmente se procede a aplicar un proceso de recocido para compensar la fragilidad que se produce en el material cuando se somete a un temple.

E. Endurecimiento por precipitación. La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metálicas pueden aumentar por la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la original fase matriz. Esto se puede conseguir mediante un apropiado tratamiento térmico denominado endurecimiento por precipitación porque las pequeñas partículas de la nueva fase de denominan “precipitados”. Este procedimiento también se denomina “endurecimiento por envejecimiento” porque el endurecimiento se desarrolla con el tiempo, como en las aleaciones envejecidas.

Tal y como hemos visto, los tratamientos térmicos nos permiten modular las propiedades de los materiales 


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Materiales poliméricos

Los materiales poliméricos están formados por moléculas orgánicas gigantes, denominadas polímeros, que tienen pesos moleculares de entre 104 y 106 g/mol. Estas moléculas están unidas entre ellas por enlaces secundarios formando cadenas y/o redes tridimensionales. Estos enlaces secundarios incluyen puentes de hidrógeno y/o dipolos y se basan en atracción electroestática con energías de enlace de 10 KJ/mol.

A su vez, las moléculas orgánicas están formadas por átomos de carbono unidos entre si mediante enlace covalente.

Los polímeros poseen una serie de características moleculares de diversa tipología que permite clasificarlos según sus:

• Propiedades químicas fruto de la composición y distribución atómica dentro de la molécula.
• Tamaño o peso molecular.
• Forma de la molécula.
• Recta.
• Otras formas.

Imagen 1. Formas que puede adquirir una molécula de polímero: (a) recta, (b) otras formas.

• Estructura 
• Lineal 
• Ramificada
• Entrecruzada
• Reticulada

               Imagen 2. Estructuras que puede adquirir una molécula de polímero.

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Materiales cerámicos

Los materiales cerámicos están formados por átomos de elementos no metálicos y metálicos de la tabla periódica y forman estructuras donde sus átomos están unidos mediante enlace covalente y/o enlace iónico.  Los materiales cerámicos se pueden clasificar en tradicionales y técnicos.

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Materiales metálicos

Los materiales metálicos están formados por átomos de elementos metálicos de la tabla periódica, que se unen mediante el conocido como enlace metálico. En el enlace metálico se produce una deslocalización de los electrones de los átomos que forman parte de la estructura en lo que se conoce como la teoría del mar de electrones. Esta deslocalización de electrones es la razón por la cual los metales poseen propiedades de conductividad eléctrica, entre otras. Más adelante explicaremos un modelo que trata de explicar la conductividad eléctrica de materiales metálicos sólidos conductores y semiconductores, conocida como modelo de bandas. Los materiales metálicos se pueden clasificar en férreos y no férrreos.

Corrosión en metales

Para valorar la corrosividad de un material metálico, se hace necesario el conocer las causas que la inducen y, los mecanismos que se producen durante el fenómeno, a fin de establecer vías o procesos para controlar la corrosión que afecta a tantas y tantas infraestructuras.

Aunque pueda parecer que la corrosión en metales siempre es un fenómeno a evitar, lo cierto es que no siempre es así, ya que por ejemplo, el aluminio que tan habitualmente utilizamos en múltiples aplicaciones diarias, como las latas de refresco u otros elementos de packaging, requieren de tratamientos de oxidación controlada o pasivación para la formación de una capa o lámina superficial para proteger el material.

Los potenciales de electródo estándard a 25 ºC, en concreto lo potenciales de reducción, se emplean como valores de referencia para establecer, a priori, el comportamiento de los diversos metales.

• Corrosión húmeda

M à M2+ + 2e

½ O2 + H2O + 2e  à 2 OH-  

• Corrosión seca

M  + ½ O2 à MO

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Ingeniería de materiales

Tipología de materiales - Clasificación

Podemos clasificar los materiales existentes en 3 grandes grupos:

• Materiales metálicos
• Materiales cerámicos
• Materiales poliméricos

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.

En el nivel de enlace secundario tenemos los puentes de hidrógeno y/o los dipolos permanentes y que se basan en atracción electroestática, con energías de enlace del orden de 10 KJ/mol; los materiales que presentan este tipo de enlace presentan valores de temperatura de fusión, dureza y conductividad relativamente bajos.

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:

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.

Imagen 3. Defecto intersticial; si el átomo fuese del mismo elemento sería un defecto autointersticial.

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.

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.

(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.

(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.

• 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

Resistencia a la fractura. Está relacionada con la capacidad de la estructura para absorber energía de impacto y acumularla en su estructura, habitualmente mediante deformaciones plásticas, antes de que se produzca la ruptura del material. Por ejemplo, materiales metálicos como los aceros blandos tienen una elevada resistencia a la fractura y absorben la energía de impacto produciendose deformaciones plásticas en la estructura; sin embargo, los materiales cerámicos rompen frágilmente debido a su baja capacidad de deformación plástica.

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.

• 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.

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).

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.

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