Propiedad de los Materiales Estructura Cristalina y su consecuencia en propiedades Metales Aleaciones Orgánicos e Inorgánicos Polímeros

1. Ingeniería Industrial
Propiedad de los materiales
Unidad II. “Estructura de los
Materiales

2. Unidad II. “Estructura de los
Materiales”
Competencia:
Conoce y analiza la estructura cristalina de los
materiales para utilizarlos en los procesos.

3. Introducción
En ciencias como Física y Química se observa que la materia,
es decir, todo lo que ocupa un lugar en el espacio y que, por lo
tanto, posee masa; puede encontrarse en distintos estados
dependiendo de su condicionamiento de temperatura y
presión.
Sólido Líquido Gas Plasma Condensado
Bose-Einstein

4. 2.1 Estructura
cristalina y su
consecuencia en
las propiedades

5. SÓLIDO CRISTALINO
Presenta un ordenamiento
geométrico regular. Sus propiedades
son función de la dirección.
Presentan puntos de fusión
definidos. Ejemplo: hielo, NaCl.
CLASIFICACIÓN

6. No presenta un ordenamiento
geométrico regular. Sus
propiedades no son función de la
dirección.
No presentan puntos de fusión
definidos. Ejemplo: goma, algunos
plásticos y el vidrio.
SÓLIDO AMORFO
CLASIFICACIÓN

7. CELDA UNITARIA O ELEMENTAL
Parte más pequeña que permite reproducir toda la red por
traslación.
Existen siete clases de celdas unitarias.
SÓLIDOS CRISTALINOS

9. SÓLIDOS CRISTALINOS
RED CRISTALINA
• Patrón tridimensional repetitivo o periódico de partículas que
forman el cristal, es decir, celdas unitarias. Puede haber 14
modos de ordenar la partícula en el espacio que se llaman las
14 redes de Bravais.
En 1848 Auguste Bravais
(físico francés), estableció
la teoría reticular.

10. 14 Tipos de Redes Cristalinas

11. UBICACIÓN DEL
ÁTOMO
CONTRIBUYE A LA CELDA
UNITARIA
Vértice o esquina 1/8 de átomo
Arista 1/4 de átomo
Centro de la cara 1/2 de átomo
Centro de la celda 1 átomo
NÚMERO DE ÁTOMOS EN UNA
CELDA UNITARIA

13. TIPO DE
CRISTAL
IÓNICO
UNIDADES EN LOS
PUNTOS RETICULARES
Iones positivos y negativos
FUERZA (S) QUE
MANTIENEN LAS
UNIDADES JUNTAS
Atracción electrostática
PROPIEDADES
GENERALES
Duros, quebradizos, altos
puntos de fusión, malos
conductores del calor y la
electricidad.
EJEMPLO NaCl, LiF, MgO
TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS
NaCl

14. TIPO DE
CRISTAL
COVALENTE O
MACROMOLECU-
LARES
UNIDADES EN LOS
PUNTOS RETICULARES
Átomos
FUERZA (S) QUE
MANTIENEN LAS
UNIDADES JUNTAS
Unión covalente
PROPIEDADES
GENERALES
Duros, altos puntos de
fusión, malos
conductores del calor y
la electricidad.
EJEMPLO C(diamante,grafito),
SiO2(cuarzo)
Diamante
Grafito
TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

15. TIPO DE
CRISTAL
METÁLICO
UNIDADES EN LOS
PUNTOS RETICULARES
Átomos
FUERZA (S) QUE
MANTIENEN LAS
UNIDADES JUNTAS
Enlace metálico
PROPIEDADES
GENERALES
Suaves o duros, de bajos
o altos puntos de fusión,
buenos conductores del
calor y de la electricidad.
EJEMPLO Todos los elementos
metálicos por ejem. Hg,
Fe, Cu.
Fe
TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

16. Según la posición de los átomos en los
vértices de la celda unitaria de la red
cristalina existen:
a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos
ocupan sólo los vértices de la celda
unidad. Ejemplo: Mercurio y Polonio.
b) Redes cúbicas centradas en el
cuerpo (BCC): Los átomos ocupan los
vértices y el centro de la celda. En este
caso cristalizan el hierro, molibdeno,
bario y el cromo.
Clasificación de Redes Cristalinas

17. c) Redes cúbicas centradas en las
caras (FCC): Los átomos ocupan los
vértices y el centro de cada cara de la
celda. Cristalizan en este tipo de redes el
oro, cobre, aluminio, plata.
d) Redes hexagonales compactas
(HC):La celda unitaria es un prisma
hexagonal con átomos en los vértices y
cuyas bases tiene un átomo en el centro.
En el centro de la celda hay tres átomos
más. En este caso cristalizan metales
como cinc, titanio y magnesio.
Clasificación de Redes Cristalinas

18. Grano
• A partir de la cristalización, se forman estructuras granulares, es
decir, un grano es la estructura formada por un núcleo central y
cristales que crecen a su alrededor.

19. Límites de Grano
• El borde, frontera, o límite de grano es la superficie de separación
entre dos cristales de un mismo grano policristal. Surge como
consecuencia del mecanismo del crecimiento de grano, ó
cristalización, cuando dos cristales que han crecido a partir de
núcleos diferentes se "encuentran".

20. El tamaño de grano de un material puede ser medido una vez se
termina la solidificación, por varios métodos, el más utilizado es la
comparación, éste consiste observar la muestra del material
mediante el microscopio
A mayor (>) tamaño de grano, mayor conductividad eléctrica pues
menor cantidad de superficie de borde de grano impide el
movimiento de los electrones.
A menor tamaño de grano, mayor resistencia mecánica, pues las
dislocaciones tendrán menor movilidad al estar impedido su
movimiento.
Tamaño de Grano

21. Etapas de la Solidificación

22. La estructura cristalina de un material puede ser modificada tanto
mecánicamente como térmicamente.
Modificación de la estructura cristalina
Métodos
Mecánicos Térmicos
• Calientes
Calientan el material y es
golpeado fuertemente
Recocido calentar el acero a +727° y enfriar
lentamente
Elimina defectos de punto
• Fríos
El material se deforma a
bajas temperaturas
Normalizado se calienta el acero y se enfría al
aire
Distribución uniforme
Temple: calentar el acero a +727° y enfriar
rápidamente
Dureza

23. Defectos Cristalinos
La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier
proceso natural se producen imperfecciones en el
crecimiento. Estas imperfecciones reciben el nombre de
defectos cristalinos. Son las responsables de variaciones en
el color o la forma de los cristales.
Estos defectos, pueden ser:
1. De punto.
2. De línea.
3. Interfaciales.
4. Volumen.

24. Defectos de Punto
Se presentan en un cristal formado por un solo tipo de átomos o moléculas.
Sustituciones
Vacancias
Dislocaciones
Átomos intersticiales Defecto FRENKEL
Defecto SCHOTTKY

25. Defectos de Línea
(Dislocaciones)
-Arista. -Tornillo. -Plano

26. Defectos
Interfaciales
Bordes
Defectos de
Volumen
Poros Y Grietas

27. Propiedades derivadas de la
estructura cristalina
Algunas propiedades de los metales y cerámicas pueden
predecirse o justificarse mediante la estructura cristalina
perfecta, tal como se ha descrito. Es el caso de las que se
especifican a continuación:
a) Densidad b) Módulo de elasticidad c) Punto de fusión

28. Propiedades derivadas de la estructura cristalina
• Relación entre la masa y el volumen de una
sustancia
• 𝑑 =
𝑚
𝑣
Densidad
• Medida de la capacidad elástica de un material.
• Entre mayor sea el módulo de Elasticidad más duro es el
material.
Módulo de
Elasticidad
• Es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases
sólido-líquido, es decir, la materia se funde.
Punto de Fusión
Dureza

29. Otras propiedades no pueden ser justificadas por la
estructura cristalina, porque dependen de las desviaciones que
los cristales reales presentan con respecto al cristal ideal
perfecto, entre éstas se encuentran: plasticidad, límite
elástico, carga de rotura, resistencia a la fluencia,
resistencia a la fatiga, etc.
Propiedades no justificadas por la
estructura cristalina

30. • Propiedad que tiene un material de ser
moldeado o trabajado para cambiarlo de
forma.
Plasticidad
• Es la tensión máxima que un material
puede soportar sin sufrir deformaciones
permanentes.
Límite
Elástico
Propiedades no justificadas
por la estructura cristalina

31. 2.2 ESTRUCTURA CRISTALINA DE
LOS MATERIALES METALICOS

32. ARREGLOS ATÓMICOS
Los metales, como todos los elementos
químicos, están formados por átomos.
Para muchos propósitos es útil y válido
considerar los átomos como esferas
rígidas. Los tamaños de los átomos se
miden en unidades de Ångstrom, un
Ångstrom es igual a 𝟏𝟎−𝟖
cm, es decir,
un centímetro “contiene” 100 millones
de Ångstroms.
Se presentan los tamaños relativos de
algunos átomos: Fe (1.24 Å), Ni (1.25 Å),
O (0.6 Å), C (0.71 Å), N (0.71 Å),
H (0.46 Å).

33. CRISTALIZACIÓN
En los materiales en estado líquido, los átomos se encuentran en
movimiento aleatorio, no guardan posiciones fijas. Cuando los
materiales solidifican al ser enfriados, el movimiento atómico cesa.
En estado sólido los átomos pueden adquirir un ordenamiento
definido tridimensional, en tal caso se dice que tienen estructura
cristalina. Forman cristales. Todos los metales forman cristales
en estado sólido.

34. En un metal sólido, estas esferas o
átomos se agrupan en el espacio
en arreglos regulares, ordenados,
repetitivos, periódicos. Forman
estructuras tridimensionales.
Grupos de átomos pueden
ordenarse para formar planos que
poseen distinto arreglo geométrico

35. Afortunadamente, los metales puros cristalizan en solo tres
estructuras: la estructura cúbica centrada en el cuerpo, la
estructura cúbica centrada en las caras y la estructura
hexagonal compacta. Por brevedad y comodidad, es común
referirse a estas estructuras mediante las siglas bcc, fcc y
hcp.

36. Estas estructuras tienen la
característica de ser muy
compactas, es decir, tienen un
“factor de empaquetamiento” que
permite aprovechar eficientemente
el espacio dejando pocos huecos.
En las estructuras fcc y hcp, 74%
del espacio está ocupado por
átomos y el 26% restante es
espacio vacío. En la estructura bcc
esta eficiencia es de 68%, con 32%
de espacio vacío. Las estructuras
fcc y hcp son más densas y
compactas que la bcc.
bcc
fcc
hcp

37. Los metales que presentan estructura
hexagonal compacta (hcp) son poco
dúctiles y resistentes, la estructura cúbica
centrada en las caras (fcc) tiende a poseer
baja resistencia mecánica y elevada
ductilidad, mientras que los metales con
estructura cúbica centrada en el cuerpo
(bcc) presentan resistencia superior y
ductilidad inferior a los cúbicos centrados
en las caras.
EJEMPLOS:

38. 2.2.1. FERROSOS Y NO FERROSOS

39. ¿Qué es una estructura cristalina?
Forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos,
moléculas, o iones. Empaquetados de manera ordenada y con
patrones de repetición que se extienden en 3D del espacio.

40. Ferrosas
Son aquellas que su principal componente es el hierro y sus
principales características son la gran resistencia a la tencion y
dureza. Los metales ferrosos son el acero, el hierro y las
fundiciones.
• La mayor parte de los materiales
ferrosos en estado sólido forman
cuerpos cristalinas simétricas:
cúbica centrado en el, cúbica
centrada en las caras y hexagonal
compacta.

41. Hierro
El hierro es muy abundante en la naturaleza (forma parte
del núcleo en la corteza terrestre) y es el metal más
utilizado.
Estructura cristalina
Cubica centrada en el cuerpo
Punto de Fusion: 1.538 °C
Numero atomico: 26
Punto de ebullicion: 2.862 °C

42. Acero
Es una aleación de hierro y carbono, en la que el carbono se
encuentra presente en un porcentaje de 2%.
Estructura cristalina:

43. No ferrosas
Son aleaciones que no contienen fierro, o contienen
cantidades relativamente pequeñas de hierro, algunos
ejemplos, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel.

44. Estaño
Es una metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y
es resistente a la corrosión.

45. Zinc
Es un metal o mineral, a veces clasificado como metal de
transición aunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el
metal como su especie dispositiva presentan el conjunto orbital
completo.

46. Cobre
Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo
metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la
llamada familia de cobre.

47. 2.2.2 PUROS Y ALEACIONES
Cristales metálicos.
Reglas generales.
Para un cristal en equilibrio químico, los átomos se
ordenan de forma regular y compacta, de manera
compatible con:
-Neutrita eléctrica.
-Relación entre radios iónicos.
-Direccionalidad y numero de enlaces.
Para metales puros: modelo de esferas duras en
contacto.

48. Cubica centrada en caras.
Notación: CCC, FCC.
Factor de empaquetamiento: 0.74
Coordinación: 12.
Relación arista/radio: α= 2r√2
Ejemplos: Al, Cu, Fe(γ), Ni, Ag, Au, Pt.

49. Cubica centrada en el cuerpo.
Notación: CC, BCC.
Factor de empaquetamiento atómico: 0.68
Numero de coordinación: 8
Relación arista/radio: 𝛼 =
4𝑅
3
Ejemplos: Fe(α), V, Cr, Mo, W, Ti(β)

50. Hexagonal compacta.
Notación: HC, HCP.
Factor de empaquetamiento atómico: 0.74
Numero de coordinación: 12
Relación arista/radio: α=2R
Ejemplo: Mg, Zn, Be, Ti(α), Zr

51. ENFRIAMIENTO.
DE LOS METALES PUROS:
Los metales puros y los Eutécticos, solidifican a
temperatura constante, la solidificación se inicia
cuándo el metal liquido se enfría hasta su punto de
solidificación, luego la temperatura se mantiene
uniforme hasta que la solidificación concluye,
mientras esta transformación ocurre el calor latente
de solidificación que desprende el metal, mantiene la
temperatura constante. Si este se enfriase en
completa uniformidad y estuviese exento de
impurezas de cualquier índole, podría generarse una
cristalización a partir de cristales al azar dentro del
liquido.

52. DE ALEACIONES:
Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido
primero, que el crecimiento requiere que el calor latente de
fusión, que se disipa durante la solidificación del líquido, sea
eliminado de la interface sólido líquido. Segundo, y a diferencia
de los metales puros, debe ocurrir la difusión tal de manera que
durante el enfriamiento las composiciones de las fases sólida y
líquida sigan las curvas de sólidus y de líquidus. Para poder
conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de
enfriamiento debe ser extremadamente lenta.

54. CARBONO
Los átomos de carbono presentan
geometría tetraédrica, de forma que cada
átomo de carbono se une a otros cuatro
átomos situados en los vértices de un
hipotético tetraedro, y así sucesivamente
en las tres dimensiones. Cada carbono de
estos vértices es, a su vez, el átomo
central de otro tetraedro. Por tanto, todo el
cristal se puede considerar como una
molécula gigante o macromolécula.

55. DIAMANTE Y GRAFITO
El diamante y el grafito son dos alótropos
(es la propiedad de algunas sustancias
simples de poseer estructuras moleculares
diferentes. Las moléculas formadas por un
solo elemento y que poseen distinta
estructura molecular) del carbono donde los
átomos de carbono están dispuestos en una
variante de la estructura cristalina cúbica
centrada en la cara denominada «red de
diamante».

56. PLÁSTICOS
Los plásticos están formados por moléculas gigantes
(macromoléculas). Estas moléculas se forman por
reacciones en las que se unen muchas unidades de
otras moléculas pequeñas (monómeros ) formando
largas cadenas (polímeros). Estar reacciones se
llaman de polimerización.

57. TERMOPLÁSTICOS
Como su propio nombre indica, estos plásticos se vuelven
deformables (plásticos) por acción del calor, de manera que
se les puede volver a dar forma muchas veces. Esto es
debido a que las cadenas moleculares no están unidas entre
sí y al calentar el material pueden deslizarse unas respecto a
las otras adquiriendo nuevas posiciones de manera que el
conjunto puede tomar una nueva forma que se mantiene al
solidificarse.

58. TERMOESTABLES
Estos plásticos, durante el proceso de fabricación , sufren una
reacción que se denomina de degradación o fraguado. Una vez que
han sufrido esta reacción no se pueden volver a modelar,
permanecen con la forma que han adquirido durante este proceso.
Lo que ocurre durante el fraguado es que las distintas cadenas se
enlazan entre sí por distintos puntos, formando una especie de red.
Debido a esto las cadenas ya no se pueden deslizar unas respecto a
las otras y el plástico mantiene la forma que ha adquirido.

59. ELASTÓMEROS
En este grupo de plásticos se da una situación intermedia a los
dos anteriores. Las distintas cadenas están enlazadas entre sí,
pero por pocos puntos, y además las cadenas están plegadas.
Por ello el plástico se puede estirar, pero a cesar el esfuerzo
vuelve a su forma original.

60. 2.3.1 Estructura cristalina en
orgánicos e inorgánicos

61. Inorgánicos
En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales
inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones
enlazados entre sí, de modo que generalmente no se
distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza
(cristales iónicos, fundamentalmente)
α-cuarzo

62. Orgánicos
Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es
en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el
concepto de entidad molecular (molécula), formada por
átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre
las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil
(cristales moleculares). Son generalmente materiales
más blandos e inestables que los inorgánicos.

63. Cinnamamida

64. En las proteínas también existen unidades moleculares,
como en los materiales orgánicos, pero mucho más
grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son
también similares, pero su empaquetamiento en los cristales
deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada
y de ahí su extrema inestabilidad.
Proteína: AtHal3.

65. 2.3.2 POLIMEROS

66. Polímeros
Las moléculas que se combinan para formar los polímeros se
llaman monómeros y las reacciones a través de las cuales se
obtienen se llaman reacciones de polimerización.
Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión
repetida de una o varias moléculas unidas por enlaces
covalentes.
Un polímero es como si uniésemos con un hilo muchas
monedas perforadas por el centro, al final obtenemos una
cadena de monedas, en donde las monedas serían los
monómeros y la cadena con las monedas sería el polímero.

67. Cristalinidad
Los polímeros generalmente poseen
estructura amorfa (desordenada), sin
embargo, bien por la composición
química del monómero o por el
procedimiento seguido en la
polimerización el estado cristalino
también puede existir en los polímeros.
Mientras la cristalinidad en los metales y
en las cerámicas implica disposición de
átomos e iones, en los polímeros implica
la ordenación de moléculas y, por tanto,
la complejidad es mayor.

68. Polímeros
Son considerados materiales semicristalinos, ya que en su
estructura combinan zonas cristalinas con zonas amorfas.

69. Las zonas cristalinas son las
responsables de la resistencia
mecánica y las amorfas están
asociadas a la flexibilidad y
elasticidad del material
Solamente unas pocas familias
de polímeros poseen la
regularidad estructural suficiente
como para cristalizar El grado
de cristalinidad de los materiales
poliméricos puede variar desde
completamente amorfo a casi
enteramente cristalino (hasta ,
aproximadamente, un 95%)

70. Tipos
Polímeros inorgánicos
Están formados por la
polimerización de
unidades monoméricas
que poseen elementos
diferentes al carbono,
especialmente fosforo y
silicio. En este grupo se
encuentra la silicona
Polímeros orgánicos
Están formados por
cadenas
hidrocarbonadas o
derivados de ellas, es
decir, en este grupo se
encuentran los polímeros
llamados plásticos, como
el PVC y el polietileno.
No todos los polímeros se clasifican como plásticos

71. Origen
Polímeros naturales
 Forman parte de los
seres vivos, plantas y
animales. Dentro de este
grupo se conocen el
caucho, la seda, las
proteínas, el ADN, entre
otros.
Polímeros sintéticos
 Son los sintetizados en
un laboratorio o en una
industria química a
partir de la
polimerización, por
ejemplo el polietileno
obtenido del etileno.
Polímeros semisintéticos
 Son aquellos formados a
partir de polímeros
naturales, como el caucho
vulcanizado y el nylon.

72. REFERENCIAS
Pulido, A. (2011). Materiales. Obtenido de Aprendemos Tecnología:
https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/estructura-cristalina.pdf
Soto, L. (s.f.). Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades. Obtenido de
MiTecnológico.om:
http://www.mitecnologico.com/Main/EstructuraCristalinaYSuConsecuenciaEnLasPropiedad
esx
Petrucci, QUIMICA GENERAL (págs. 1058-1059), Pearson, octava edición, España,
Madrid 2003.
ü Guillen, Gimeno, QUIMICA (pág. 290), Ed. Laberinto, España 1999.
http://www.guatequimica.com/tutoriales/introduccion/Diferencia_entre_compuestos_organi
cos_e_inorganicos.htm , Guate química 2010.
Villanueva, I. (2012). Los metales. Febrero 23, 2017, de Área tecnología Sitio web:
http://www.areatecnologia.com/LOSMETALES.htm