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IES Pedro de Valdivia

 

 

Modificación de las propiedades de los materiales

Las propiedades mas destacables de los metales son
  1. Elevada conductividad térmica y eléctrica
  2. Alta resistencia mecánica
  3. Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad
  4. Alta maleabilidad
  5. Son reciclables

Estas propiedades son las consecuencias de la disposición de los átomos y del enlace metálico

Tenemos en el libro de texto que los átomos de un metal se sitúan de forma tal que el aprovechamiento del espacio es máximo, y no es del todo cierto.

 

Si bien los átomos forman redes tridimensionales cuyo patrón se repite por todo el espacio, la parte de materia que ocupa el espacio es minima y por tanto se puede decir que la materia está "hueca ".

A la forma de ordenarse los átomos se llama estructura cristalina, propio de los metales, las aleaciones, algunos materilaes cerámicos ..

El enlace que predomina en esta estructura es el enlace metálico. En este, los electrones tienen a abandonar los átomos y a formar una nube de electrones. Esta situación otorga las propiedades térmicas y eléctrica de los metales.

Volvemos a la estructura cristalina y definimos la celda unidad como la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal.

Por cristalografía se ha descubierto que para crear todas los tipos de redes, tan solo es necesario siete redes cristalinas simples.

El 90 % de los metales tiene alguna de las siguientes estructuras cristalinas

De Izquierda a derecha tenemos:

  • Cúbica centrada en el Cuerpo ( BCC )
  • Cúbica centrada en las caras ( FCC )
  • Hexagonal compacta ( HCP )

 

En la tabla de la página 51, tenemos para los diferentes metales la distancia de la red en Å.

El ångström (Å) es una unidad de longitud empleada principalmente para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas, etc. Se representa por la letra sueca Å.

1 Å= 1m x 10-10 = 0,1 nm

Interesante el comentario sobre energía y proximidad atómica de la página 51. Viene a decir que de alguna forma, la materia tiende a ordenarse de tal forma que su estado de energía es mínimo, buscando la compacidad dado que ello lleva a un estado de mínima energía.

Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo ( BCC)

La mas sencilla de estudiar

Las características de esta celda vienen dado por los siguientes conceptos

a ) Índice de coordinación o número de vecinos mas cercanos. En este caso, como se puede ver en la primera figura, el átomo del centro tiene 8 vecinos, uno en cada vértice, y por tanto tiene un valor de 8

b) Átomos por celda unidad, o sea , la cantidad de átomos que hay en una celda. Para calcularlo se aplica la fórmula

N = Ni + Nc/2 + Nv/8

Donde Ni son los átomos en el interior, Nc en las caras y Nv en los vértices.

Comprobar que para esta celda N = 2.

Tambien podemos calcular la distancia a de la celda si buscamos la zona mas compacta de la celda, que se da en la diagonal ( ver ilustración pagina 52 )

c) El factor de empaquetamiento atómico es la relación entre el volumen de los átomos y el volumen de la celda.

Ejercicio 1. Calcular el FEA de la red BCC . Solución 0,68

Ejercicio 2. Dibujar una celda FCC. Encontrar y calcular

a) el numero de coordinación. y número por celda

b) El valor de a

c) el valor FEA

Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo ( BCC)

En la figura de la página 53 se representa este tipo de celda donde tenemos que el índice de coordinación es 12 y el número de átomos por celda es 6 ( dos de ellos en el interior de la celda y los otros compartidos )

Al estar los átomos en las aristas pegando uno con el otro, el valor de a es 2R siendo R el valor del radio del átomo.

Destacar que los átomos del interior de la celda tienen una posición mas centrada aprovechando los huecos que quedan los átomos de las bases, de esta forma, aumentando el volumen utilizado.

Para calcular el FEA ver desarrollo del libro.

Alotropía

Bajo determinadas condiciones de presión y Temperatura, el mismo elemento puede presentar diferentes estructuras cristalinas.

En el caso del hierro, tenemos una BCC que pasa a una FCC para temperaturas entre los 912 y 1394 para volver a una BCC pasada esta temperatura.

Defectos de la estructura cristalina


Las estructuras cristalinas presentan un desorden atómico nada deseable que aparecen por diversas causas.

Defectos térmicos. Los átomos no ocupan una posicion fija y estática
en el espacio, ( excepto en el cero absoluto ) . Los átomos tiene un movimiento de vibración, que sera de tanto mayor amplitud cuanto mayor sea la temperatura. Como consecuencia de este fenómeno se produce la dilatación térmica de los sólidos cristalinos.


• Defectos electrónicos. Debido a la presencia de átomos de valencia.

En este efecto se fundamentan los materiales semiconductores, pilares de
la electrónica moderna.
Los materiales semiconductores son estructuras cristalinas de silicio 0 de
germanio a las que se añaden:
— impurezas de tipo P (materiales de valencia menor, como por ejemplo
boro o galio) con lo que se crean zonas deficitarias de electrones.
— impurezas de tipo N (materiales con una valencia superior, como por
ejemplo fósforo o arsénico), originándose zonas ricas en electrones.
• Defectos atómicos. Son los mas importantes desde el punto de vista
metalúrgico y consisten en fallos o alteraciones en la ordenación espacial de
una estructura cristalina. Según su dimensionalidad, estos defectos pueden
ser de tipo puntual, lineal o superficial.
3.1. Defectos atómicos puntuales
Las dimensiones de un defecto de tipo puntual son, aproximadamente,
las de un espacio intraatómico. Los defectos puntuales mas simples son los
siguientes:
· Átomos intersticiales.

• Lugares vacantes o lagunas y

• Átomos extraños.

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