CONTENIDOS COMPLEMENTARIOS TEMA 1:

 Conocer y justificar el diferente comportamiento frente a la

temperatura de la estructura cristalina y amorfa:

Los materiales no cristalinos sal enfriar se hacen cada vez mas viscosos de forma
continuada a medida que la temperatura baja; no existe una temperatura definida de
solidificación a diferencia de en los materiales cristalinos.
Además, los materiales cristalinos disminuyen de forma discontinua en volumen
continuamente con la reducción de temperatura.
Una de las distinciones entre materiales cristalinos y amorfos está en la dependencia
del volumen especifico (volumen por unidad de peso) con la temperatura. Los
materiales cristalinos tienen una disminución discontinua en volumen a la temperatura
de fusión, en cambio en los amorfos el volumen disminuye de forma continua con la
reducción de la temperatura.
La temperatura en la cual la pendiente sufre un ligero cabio es la temperatura de
transición vítrea y por debajo de esta temperatura el material es un vidrio y por encima
liquido subenfriado.
Con la temperatura también varía la viscosidad de los vidrios, y con la viscosidad se
definen los siguientes puntos en el vidrio.
1. Punto de fusión: T a la cual la viscosidad= 100P.Fluido considerado como
líquido.
2. Punto de trabajo: Vidrio fácilmente deformable, viscosidad= 10000P
3. Punto de ablandamiento= viscosidad= 4*10^7P, la Tª que produce esta
viscosidad es a límite para ser manipulada sin alteraciones dimensionales.
4. Punto de recocido: tensiones residuales de 15 min pueden eliminar la difusión
atómica. viscosidad 10^13P
5. Punto de deformación: 3*10^14P. Temperaturas por debajo la fractura ocurre
antes que la deformación plástica.

 Estructura de los metales puros; cálculo de densidades de átomos

asociados a planos y direcciones cristalográficas de las estructuras
cristalinas descritas. Identificación de los planos y direcciones de
máxima densidad de las tres estructuras tipo estudiadas:

DENSIDAD LINEAL: fracción de longitud de línea, de una dirección cristalográfica

particular, que pasa a través de los centros de los átomos.
DENSIDAD PLANAR: fracción del área del plano cristalográfico ocupada por átomos; el
plano debe pasar por el centro del átomo para poder incluirlo.

Las densidades lineales y planares tienen gran importancia para explicar los
deslizamientos, que son el fundamento del mecanismo d la plasticidad de los metales.
Los deslizamientos ocurren en la mayoría de planos cristalográficos de máximo
empaquetamiento a lo largo de las direcciones que tienen el mayor empaquetamiento
atómico.

 Estructura de los cerámicos:

 Otras estructuras de los cerámicos (ClCs,ZnS,Al 2O3)

(cerámicos covalentes, formas alotrópicas del carbono):

ESTRUCTURAS CRISTALINAS: las dos características que

determinan la estructura cristalina son: el valor de la carga eléctrica de
 los iones componentes y los tamaños relativos de los cationes y
aniones.

ESTRUCTURA TIPO AX (NaCl)

Estructura del CsCl:

NC=8 para ambos tipos de iones (aniones en

los vértices catión en el centro del cubo)

NO es una BCC, ya que distintos tipos de iones

ocupa los puntos de la red.

Estructura del ZnS (blenda):

NC=4 los iones están en coordinación

tetraédrica.

Se denomina estructura de la blenda o

esfalerita que es el correspondiente nombre dado al
mineral de ZnS.

Vértices y caras  S

Interior de las posiciones tetraédricas  Zn

Si se intercambian sus posiciones la estructura

es equivalente

El enlace es en gran parte covalente en los

compuestos con esta estructura (ZnS, ZnTe, SiC)

Estructura del Al2O3 (alúmina):

Estructura cristalina hexagonal compacta.

Los iones O2- ocupan las posiciones de la

celda unidad; los iones Al3+ ocupan los ⅔ de las
posiciones octaédricas intersticiales para mantener la
neutralidad de carga.

CERÁMICOS COVALENTES:
CARBONO: el carbono es un elemento que tiene varias formas polimórficas.
No se clasifica por tanto en las tradicionales casillas de metal, cerámico o polímero. No
obstante, una de sus formas el grafito, se estudia a veces como una cerámica, y
también el diamante, presenta una estructura cristalina, similar a la de la blenda.

DIAMANTE: el diamante es un polimorfo

metaestable del carbono a temperatura
ambiente y presión atmosférica. Su
estructura es cristalina y es una variante
de la del ZnS. Cada átomo de carbono
esta unido con otros cuatro átomos de
carbono y dichos enlaces son
completamente covalentes. Se denomina
a esta estructura “estructura cristalina
cúbica del diamante”, la cual se encuentra
en

otros elementos de la tabla periódica como el germanio.

Propiedades físicas: es extremadamente duro, tiene baja conductividad

eléctrica (esto se debe a su estructura cristalina y fuerte enlace
covalente) también tiene alta conductividad térmica (algo poco usual en
un no metal) Es transparente en la región visible e infrarroja del
espectro, tiene alto índice de refracción. Sus monocristales grandes se
usan como piedras preciosas. Se usa industrialmente para desbastar y
cortar materiales más blandos. Se pueden producir sintéticos, en forma
de capa delgada etc. El diamante es policristalino. Sus propiedades
deseables se utilizan para crear nuevos y mejores productos.

GRAFITO: es otro polimorfo del carbono, tiene estructura cristalina

bastante distinta a la del diamante, y también mas estable que este a
temperatura y presión constante. La estructura del grafito está
compuesta por capas de
átomos de carbono dispuestos
hexagonalmente; dentro de
las capas, cada átomo de
carbono está unido a tres
átomos coplanares por
enlaces covalentes. El cuarto
electrón de enlace participa en
enlaces de tipo de Van der
Waals entre las capas. Por
esto la separación interplanar
es fácil, lo que origina buenas propiedades lubricantes en el grafito, así
como que la conductividad eléctrica sea alta en las direcciones
cristalinas paralelas a las láminas hexagonales. También es altamente
resistente y tiene buena estabilidad química a temperaturas elevadas y
en atmósferas no oxidantes, alta conductividad térmica, bajo
coeficiente de dilatación térmica y alta resistencia al choque térmico,
alta adsorción de gases y fácil mecanización. Por esto se utiliza en
elementos calefactores de hornos eléctricos, como electrodo para
soldadura con arco…
 FULLURENOS C60: es otra forma polimórfica del carbono, que existe
de forma molecular y consiste en una red esférica de 60 átomos de
carbono, pero no es objeto de nuestro estudio en este momento.

 Defectos en los materiales cerámicos. Peculiaridades en

defectos puntuales frente a metales. Defectos
extrínsecos(poros y gritas) y su implicación en el
comportamiento de los cerámicos:

DEFECTOS ATÓMICOS PUNTUALES: En los compuestos cerámicos

pueden existir defectos atómicos que involucran a los átomos
disolventes. Al igual que en los metales pueden existir vacantes
iónicas, pero en cambio, al tener dos tipos de iones pueden existir
defectos con cada tipo de ion. Pex: con el NaCl pueden existir átomos
intersticiales y vacantes para el Na y para el Cl. (aunque es improbable
que esto ocurra). Se llama “estructura de defectos” a los tipos y
concentraciones de defectos atómicos en las cerámicas. Dado que los
átomos existen como iones cargados, la estructura de defectos debe
ser electroneutral.
Electroneutralidad es el estado que existe cuando hay el mismo
número de cargas iónicas positivas y negativas; es decir, los defectos
es las cerámicas no ocurren de forma
aislada. Tendremos:
Defecto Frenkel: vacante catiónica y
catión intersticial. (el catión abandona su
posición y se mueve a una intersticial
manteniendo la misma carga positiva)

Defecto Schottky: encontrado en

materiales AX; vacante catiónica-
vacante iónica. (eliminación de un catión
y un anión del interior y colocarlos en la
superficie externa del cristal, como tienen la misma carga y quedan
ambas vacantes, se mantiene la neutralidad)
En estos dos defectos se mantiene el cociente entre cationes y
aniones; si no hay otros defectos se dice que el material es
estequiométrico; es decir un estado en el cual el cociente entre
cationes y aniones es el esperado a partir de la fórmula química. La
falta de estequiometría puede ocurrir en materiales cerámicos con dos
estados de valencia para uno de los tipos de iones; pex: en el FeO la
formación de un ion Fe3+ desequilibra la electroneutralidad, que debe
equilibrarse con otro defecto, que puede
provocar también que el cristal deje de ser
estequiométrico.
IMPUREZAS EN CERÁMICAS: los átomos de impureza pueden formar
soluciones sólidas en los cerámicos al igual que en los metales (tanto
intersticiales como sustitucionales) Para que en el estado sólido haya
una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales,
los tamaños iónicos y la carga deben ser casi iguales a los de los iones
disolventes. Si una impureza iónica tiene carga distinta, el cristal debe
compensar la carga de manera que la electroneutralidad se mantenga;
una forma de hacerlo es creando defectos puntuales de la red,
vacantes o iones intersticiales de ambos tipos.

DEFECTOS EXTRINSECOS (POROS Y GRIETAS): A

temperatura ambiente las cerámicas (Cristalinas o no) casi siempre se
rompen antes de que ocurra alguna deformación plástica en respuesta
a cualquier carga de tracción.
Tendremos: Fractura frágil (formación y propagación de fisuras a través
de la sección de un material en una dirección perpendicular a la carga
aplicada, el crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo
largo de determinados planos cristalográficos, de alta densidad
atómica)
La resistencia ala fractura medida en los materiales cerámicos es
menor que la predicha por la teoría basada en las fuerzas de enlace
entre átomos; esto se explica por la presencia de pequeños defectos
en el material, que concentran la tensión (que depende de la longitud y
arco de punta de la grieta, siendo mayor en defectos largos y
puntiagudos) Estos defectos pueden ser fisuras pequeñas superficiales
o internas, poros internos y puntos triples entre varios granos(que son
virtualmente imposibles de eliminar) Una concentración de tensiones
en la punta de un defecto puede originar una grieta que puede
propagarse hasta la fractura.
La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grita
esta presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura; La
tenacidad de fractura en deformaciones planas se define según:
k ic=Yσ √ πa
Y: sin dimensiones, función de la geometría y de la grieta
σ: es la tensión aplicada
a: longitud de la grita superficial o mitad de la longitud de grieta interna.

La deformación no ocurrirá si la parte derecha es menor que la

tenacidad de fractura en deformaciones planas del material.

En el caso de esfuerzos de compresión, no existe amplificación de

esfuerzos de tracción asociados con defectos existentes, por lo que los
materiales cerámicos frágiles presentan resistencias a compresión
mucho mayores que a tracción y se utilizan generalmente cuando las
cargas son de compresión. Además, la resistencia a la fractura de un
cerámico frágil puede ser enormemente aumentada por medio de
cargas residuales de compresión en su superficie, por ejemplo por
temple térmico.
Debido a la dispersión de las medidas de resistencia a la tracción de os
materiales cerámicos frágiles, generalmente no se utilizan valores
medios ni factores de seguridad para propósitos de diseño.
 Estructura de los plásticos: relación de los aspectos estructurales
descritos con características de los plásticos como su densidad,
estabilidad térmica, resistencia a la deformación:

FORMA MOLECULAR: Algunos polímeros consisten en un gran número de largas

cadenas de moléculas que pueden doblarse, enrollarse y plegarse. Este
comportamiento hace que las cadenas vecinas se entremezclen y se enreden
extensamente. Muchas características importantes de los polímeros se deben a esta
maraña molecular, pex: la elasticidad del caucho.
Algunas características mecánicas y térmicas de os polímeros son función de la
capacidad de los segmentos de cadenas para rotar en respuesta a l esfuerzo aplicado
o a las vibraciones térmicas. La flexibilidad rotacional depende de la estructura y de la
química de la unidad monomérica. La sustitución de átomos por grupos atómicos
restringe el movimiento rotacional. Pex: las moléculas de poliestireno, con anillos
bencénicos son mas resistentes al movimiento rotacional que las de polietileno.
ESTRUCTURA MOLECULAR: Las características físicas de un polímero también
dependen de las diferencias en la estructura de las cadenas moleculares.
Polímeros lineales: las unidades monoméricas
se unen formando cadenas sencillas. Son
flexibles, se pueden unir por fuerzas de van
der Waals. Pex: Polietileno
Polímeros ramificados: la cadena principal
esta conectada con tras secundarias. La
eficacia de empaquetamiento de la cadena se
reduce por las ramificaciones, y por tanto
disminuye la densidad del polímero.
Polímeros entrecruzados: cadenas lineales
adyacentes que se unen transversalmente en
varias posiciones mediante enlaces covalente.
A menudo el entrecruzamiento va
acompañado por adición de átomos o
moléculas. Muchos materiales elásticos de caucho están entrecruzados.
Polímeros reticulados: forman redes tridimensionales. Un polímero entrecruzado
prácticamente se puede clasificar como reticulado. Tienen propiedades mecánicas y
térmicas específicas. Pex epoxy y fenol-formaldehidos pertenecen a este grupo.

CONFIGURACIONES MOLECULARES:
Importante en las características físicas del
material, por ejemplo: Cis(caucho) y
trans(gutapercha) tienen propiedades muy
distintas.

COPOLÍMEROS: son
nuevos materiales
resultantes de la
investigación para encontrar
combinaciones o mejoras de
las propiedades ofrecidas
por los homopolímeros. Un copolímero se puede considerar
compuesto por dos unidades monoméricas. Si están distribuidas
aleatoriamente serán copolímeros al azar, también tendremos
copolímeros alternados, copolímeros en bloque y copolímeros en
injerto

CRISTALINIDAD DE LOS POLÍMEROS: en los polímeros implica la ordenación de

moléculas, puede considerare como el empaquetamiento de cadenas moleculares para
 producir una disposición atómica ordenada. La densidad de un polímero cristalino es
mayor que la de u polímero amorfo del mismo material y peso molecular, ya que las
cadenas de la estructura cristalina están mas empaquetadas.; el grado de cristalinidad
máximo se determina a partir de medidas de densidad según:
ρC∗( ρ s− ρ A )
%CRISTALINIDAD=
ρs∗( ρC − ρ A )
ρc: densidad del polímero totalmente cristalino.
ρs: densidad de la muestra para la que se pretende determinar el %crist
ρa: densidad del polímero totalmente amorfo

El grado de cristalinidad repercute en las propiedades físicas. Los polímeros cristalinos

son mas resistentes a la disolución y el ablandamiento térmico.

CRSTALES POLIMÉRICOS: esferulitas (equivalen a los granos de los metales

policristalinos y las cerámicas) pex: polietileno al cristalizar a partir de un líquido.

 Estructura de materiales compuestos: Concepto de longitud crítica de

fibra:

Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no

solo de las propiedades de la fibra sino también del grado en que una carga aplicada
se transmite a la fibra por medio de la fase de la matriz. En este proceso es muy
importante a magnitud de la unión en la intercara de las fases matriz y fibra. Al aplica
tracción no hay transmisión de carga desde la matriz en los extremos de la fibra.