Estructura de los_materiales-convertido

1
BLOQUE II.- ESTRUCTURA
Tema 2.- Estructura de la Materia
para
* James F. Shackerlford
“Introducción a la Ciencia de Materiales
Ingenieros”. Cuarta edición. Ed. Prentice Hall (1998)
* Pat L. Mangonon
“Ciencia de Materiales: Selección y Diseño” Ed. Pearson
Educación( 2001)

Tema 2.-
Estructuras CristalinasObjetivos
T1/2
• Entender estructura cristalina a escala atómica : átomos ordenados de
manera regular y repetitiva.
• Identificación de los 7 sistemas cristalinos y 14 redes de Bravais.
• Conocer las celdillas unidades más importantes
• Conocer las principales estructuras cristalinas de los metales.
• Conocer, aplicar y calcular los siguientes conceptos
– Factor de empaquetamiento
– Planos cristalográficos
– Posiciones y direcciones cristalográficas
– Densidad volumétrica, planar, linear

Tema 2.-
Estructuras CristalinasEstado Sólido
Cristalinos Amorfos
• Ordenamiento regular de los átm a
corto y largo alcance
• Atm o molec.:  posiciones
reticulares
•Enl: iónico, covalente o metálico, f.
van der Waals
• anisótropos (prop. = f (dirección))
• ptos de fusión definidos
•No  Ordenamiento regular de los
átm a largo alcance.
• Atm o molec.:  posiciones
reticulares
•Enl: iónico, covalente o metálico, f.
van der Waals
• Isótropos (=prop. cualquier dirección)
• ptos de fusión no definidos
Metales,
aleaciones,
cerámicos, … en
condiciones
ordinarias
Vidrios, polímeros,…,
O enfriamiento rápido
T1/3

Tema 2.-
Estructuras Cristalinas
• Capacidad de asumir dos o más estructuras Xtalinas.(Fe, C, Al, Ti, ZrO2, …
• Algunas de las prop. sólidos Xtalinos dependen de la estruct. Xtalina
Diamante: Grafito
Estruct. Tridimens.
Transparente
Muy duro (  Coval.)
No conductor
Estruct. Laminar
Negro
Blando (  Enl. 2º)
Conductor
Estructuras Cristalinas: Alotropía-polimorfismo
T1/4

Tema 2.-
Celda unidad
Punto
esfera representa
Reticular: Cada
un
átomo, ion o molécula
Estructura cristalina cúbica simple
a) Representación mediante esferas reducidas
b) Representación mediante “modelo de esferas rígidas”
a) b)
Sólidos Cristalinos
T1/6
Mínima unidad estructural repetida que contiene todos
los elementos de simetría del Xtal
Parámetros de red
a, b, c: aristas independientes
, , : ángulos reticulares
Red tridimensional

Tema 2.-
•Es la unidad estructural  define la estruct. cristalina mediante su geometría y
por la posición de los átomos centro de ella
• Menor unidad que, por repetición indefinida, genera el sólido cristalino.
•Paralelepípedo definido a partir de las longitudes axiales de las aristas
independientes a, b y c y de los tres ángulos interaxiales ,  y .
Dependiendo del valor de las aristas independientes (a, b y
c) y los ángulos , ,  se obtienenúnicamente:
Celdilla unidad con los ejes de
coordenadas x, y y z mostrando las
longitudes de las aristas (a, b y c) y los
ángulos interaxiales (, ,  )
7 Sistemas Cristalinos
Celda Unidad
T1/7

Tema 2.-
Estructuras Cristalinas7 SistemasCristalinos
Triclínico Monoclínico Ortorrómbico
Trigonal Hexagonal Tetragonal Cúbico
T1/8

Tema 2.-
Simple o Primitiva (P)
(1 átomo por celda)
Centrada en las Caras (F)
(4 átomos por celda)
Centrada en el Cuerpo (I)
Centrada en las bases A (B o C)
Tipos de celdilla Unidad
T1/9

Tema 2.-
7 SISTEMAS
CRISTALINOS
+
4 CELDILLAS
UNIDAD
triclínica monoclínica tetragonal
ortorrómbica hexagonal
Trigonal (romboédrica) cúbica
14 Redes de Bravais
T1/10

Tema 2.-
Sistema Cristalino
Relaciónaxial-ángulos
inter-axiales
Geometríadela celdilla unidad
Cúbico
a = b = c
 =  =  = 90º
Cúbica simple (P)
Cúbica centrada caras (FCC ó
F)
Cúbica centrada cuerpo (BCC,ó I)
Hexagonal
a = b  c
 =  = 90º,  = 120º
Hexagonal simple (P)
Tetragonal
a = b  c
 =  =  = 90º
Tetragonal simple (P)
Tetragonal centrada cuerpo (I)
Romboédrico (Trigonal)
a = b = c
 =  =   90º
Romboédrico simple (R)
Ortorrómbico
a  b  c
 =  =  = 90º
Ortorrómbico simple (P)
Ortorrómbico centrado cuerpo (I)
Ortorrómbico centrado base (A, B, C)
Ortorrómbico centrado caras (F)
Monoclínico
a  b  c
 =  = 90º 
Monoclínico simple (P)
Monoclínico centrado en la base
(C)
Triclínico
a  b  c
      90º
Triclínico simple
T1/11

Tema 2.-
Estructuras CristalinasPrincipales Estructuras Metálicas
El 9 0 % de los Metales cristalizan en 3 estructuras densamente empaquetadas puesto que:
Normalmente tiene un único elemento, luego el radio atómico es el mismo.
El enlace metálico no es direccional.
Con el fin de reducir la energía de enlace las distancias entre átomos tienden a ser pequeñas 
Emínima
Cúbico centrado en el cuerpo
(BCC)
Cúbico compacto
(FCC)
T1/12
Hexagonal compacto
(HCP)
Ej: Fe-(estable baja temp.),
Cr, Mo, K, V, W, aleaciones Ej: Fe-, Al, Cu, Ni, Pt, Ag, Pt y Au
Ej: Be, Cd, Mg, Co, Ti-, Zn

Tema 2.-
celda•V =a3 Como 4R= √3 a 

3 
4
átomosV   ·R3
·2
3

4R
3
Vcelda  

)
3  0,68
(
4
R)3
3
2·(4R3
Volumen de los átomos de la celda
Volumen de la celda
Factor empaquetamiento 
El 68 % del volumen de la celda está ocupado
Ref. J.F. Shackelford “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. Prentice Hall
1/8
1
Estructura cúbica centrada en el cuerpo
(a=b=c)
==  =90º
•Nº átomos =8·1/8+ 1 = 2 atm/celdilla unidad
•Nº de coordinación= 8
a2 + a2 =d2
a + d = (4R)2 2 2
3 a2 = (4R)2
a 3
2a
T1/13
a

Tema 2.-
•Vcelda=a3 , 4R= √2 a 
34
Vátomos  3
 ·R 
·4
2 
4R 
3
Vcelda  
)
3Volumen de los átomos de la celda
Volumen de lacelda
 0,74Factor empaquetamiento
(
4
R)3
2
4·(4R3
Estructura Cúbica Centrada en las Caras
T1/14
(a=b=c)
==  =90º
a2 + a2 =d2 = (4R)2
2 a2 = (4R)2
•Nº átomos =8·1/8+6· 1/2 = 4
•Nº de coordinación= 12

Tema 2.-
Nº átomos
= 2·[6··1/6]+2·1 /2+3 =6
Número de coordinación: 12
Factor empaquet.: 0, 74
Estructura Hexagonal Compacta HCP
T1/15

Tema 2.-
Hay diferentestipos dehuecos:
OCTAÉDRICOS (Nº Coord. 6) hueco
situado en el centro de un octaedroregular.
TETRAEDRICOS (Nº Coord. 4) hueco
situado en el centro de un tetraedro regular.
Nº huecostetraédricos = 2n
Nº huecosOctaédricos = n
Estrc. COMPACTAS severifica
que
En las estructurascristalinas  espaciosvacíos  INTERSTICIOS dóndepuedenalojarse átomos
Siendo
n: Nº deátomos/celdilla
Posiciones Intersticiales: Huecos
T1/16

Tema 2.-
Estructuras CristalinasPosiciones atómicas, direcciones y planos (I)
Posiciones atómicas:
Sistema de ejes x, y, z
x
(0,1,1)
(0,1,0)
y
(0,0,1)
Direcciones:
Las prop. de los materiales dependen de la dirección en la que se miden  se deforman en direcciones
en las que los átomos están en contacto más estrecho.
Direcciones individuales: [uvw] vectores// mismos índices
Direcciones equivalentes en la red: <uvw> Cuando los espaciamientosa lo largo decada
dirección son los mismos
Arista delcubo: [100],[010],[001],[010],[001],[100]=100
Diagonales delcubo: 111
Diagonales caras : 110
x
y
[110]
[10
0]
x
y
x
y
[210]
z z z z
[111]
x
y[110]
T1/20

Tema 2.-
Estructuras CristalinasPosiciones atómicas, direcciones y planos (II)
x=½
y=1
z=
(210)
x=1
y=1
z=
(110)
x=1
y=1
z=1
(111)
x=1
y=
z=
(100)
Planos:se utilizan los índices de Miller
“recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes
x,y,z"
Procedimiento :
1. Escoger un plano que no pase por el origen
2. Determinar las intersecciones con los 3 ejes
3. Obtener los recíprocos de las intersecciones
4. Determinar el conjunto más pequeño de enteros
que estén en la misma razón que las
intersecciones
5. Notación: entre paréntesis sin comas (h k l)
T1/21

Tema 2.-
Estructuras CristalinasBCC vs FCC: Solubilidad C enFe
  factor empaquetamiento: fbcc=0.68 y ffcc=0.74
Vsin ocupar (bcc) > Vsin ocupar(fcc), pero Vhueco (fcc)> Vhueco(bcc)
 Este hecho permite explicar la solubilidad de C en Fe:
Tamb. Aceros: Fe- α ó ferrita ( estructura bcc)
T  Aceros: Fe- γ o austenita ( estructura fcc)
Solubilidad: 0.02-0.05%C
Solubilidad: 2%C
T bruscamente (trat. Térmico: temple)  existencia de Fe (bcc) con altos
contenidos en C ( ”distorsión red (tetragonal)“) martensita 
prop.mecánicas aceros templados.
Ref. William F. Smith “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”. MacGrawHill
FCC: Vho = 0.414 r
BCC: Vho = 0.291 r
T1/22

Tema 2.-
Estructuras CristalinasAnisotropía-Isotropía
Material Anisótropo  Prop. dependen de la dirección cristalográfica en la que se miden
Material Isótropo  Prop. idénticas en todas las direcciones
Módulo Elástico E (GPa)Módulo Elástico E (GPa)
Material Dirección cristalográfica
[100]
Dirección cristalográfica
[111]
Dirección cristalográfica
aleatoria
Al (FCC) 9.2 11.0 10.0
Cu (FCC) 9.7 27.8 18.1
Fe- (BCC) 19.1 40.4 30.0
W (BCC) 59.2 59.2 59.2
MgO 35.5 48.7 45.0
NaCl (FCC) 6.3 4.7 5.3
T1/23

Tema 2.-
V
=
masa celda unidad
=
nº átomos celdilla unidad  masa átomo
volumen celda unidad volumen celdilla unidad

 
n·M
VC N A
n: nº átomos/celda unidad
M: peso atómico
VC: volumen celda unidad
NA: número deAvogadro
(6.023x1023 átomos/mol)
Densidad volumétrica
T1/24
Considerando el Modelo de las esferas rígidas

Tema 2.-
Estructuras CristalinasDensidad de los materiales
Metales:
Empaquetamiento compacto (enlace
metálico)
Masa atómica alta
Cerámicos
Empaquetamiento menos compacto
(iónico mixto)
Elementos ligeros
Polímeros
Empaquetamiento poco denso
Elementos principales: C, H, N, O, S....c
T1/25

Tema 2.-
Densidadatómica planar:
BCC
área selecciona da m2
=
Nº átomos intersecta dos por el área
=
átomos
p
a 2
m 2
=
2 átomos
Ejemplo :
1 átomo centro  4· 1
4 vértices
a· 2·a
p =
l
long.línea m
Densidadatómica lineal:
 =
Nº .átomos diametral. intersecta dos por la línea
=
átomos
=
2 3 átomos
3a m
Ejemplo :
1 átomo centro  2· 1
2
3·a
[111] =
BCC
T1/26

Tema 2.-
Estructuras CristalinasPor qué son los planos importantes (I)
13 = 3<1120>0001HCP
(Cd, Mg, Zn, Ti-)
43=12<110>111FCC
(Fe-, Cu, Ni, Al)
62=12<111>110BCC
(Fe-, Mo, W)
NúmeroDirecciones
compactas
Planos
compactos
Estructura cristalina
Deformación Plástica
 La deformación plástica tiene lugar cuando los átomos deslizan entre ellos.
 El deslizamiento ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos
(fracción atómica planar mas elevada) y a lo largo de direcciones
preferentes (fracción atómica lineal mas elevada)
Sistemas de Deslizamiento
-
T1/27

Tema 2.-
Estructuras CristalinasPor qué son los planos importantes (II)
Propiedades de Transporte
• En algunos materiales, la estructura atómica produce un transporte rápido
de e- y/o calor en un plano y relativamente lento fuera de él. Ejemplo:
Grafito.
• La conductividad térmica es más rápida en los planos con enlace covalente
sp2 que en la dirección perpendicular a ellos. Ejemplo: YBa2Cu3O7
superconductores
• Algunas redes contienen planos cristalográficos de Cu y O. Estos planos
conducen pares de e- (pares de Cooper) que son los responsables de la
superconductividad. Estos materiales son aislantes eléctricos en las
direcciones perpendiculares a los planos Cu-O.
T1/28

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