1. CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES
Unidad 1 :
“Estructura, arreglos y movimiento
de los átomos”

2. Importancia y clasificación de los
materiales en Ingeniería
 Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana
está influido en mayor o menor grado por los materiales,
como por ejemplo el transporte, la vivienda, la vestimenta,
la comunicación, la recreación y la alimentación.

3. Importancia y clasificación de los
materiales en Ingeniería
 Se han desarrollado decenas de miles de materiales
distintos con características muy especiales para satisfacer
las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad;
se trata de los metales, plásticos, vidrios y fibras.

4. Importancia y clasificación de los
materiales en Ingeniería
 El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la
confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la
disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la
comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del
progreso de una tecnología.

5. El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la
confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la
disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la
comprensión de un tipo de material suele ser el
precursor del progreso de una tecnología. Por ejemplo,
la fabricación de automóviles fue posible por la
aparición de un acero idóneo y barato o de algún
sustituto comparable. Actualmente los adelantos
electrónicos más sofisticados se basan en componentes
denominados materiales semiconductores.

6. A) Metales:
 Los metales y las aleaciones que incluyen al acero,
aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio,
cobre, níquel, entre algunos; tienen como
características una adecuada conductividad térmica y
eléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez,
ductilidad y resistencia al impacto.

7. B) Cerámicos:
Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino
y/o amorfo. Los materiales de cerámica como ladrillos,
el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen
escasa conductividad térmica y eléctrica, tiene buena
resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad y
resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados
en aplicaciones estructurales

8. C) Polímeros:
El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se
producen creando estructuras moleculares a partir del
petróleo en un proceso llamado polimerización. Los
polímeros tiene baja conductividad térmica y eléctrica,
poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.

9. D) Materiales Compuestos:
Están construidos por dos o más materiales que
generan propiedades que uno solo no puede dar, como
le concreto, el triplay y la fibra de vidrio.
Ejemplo:
*Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes
aeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso.

10. ARREGLOS ATÓMICOS E IÓNICOS
Los arreglos atómicos de iones desempeñan un papel
importante en la determinación de la microestructura y
por tanto en las propiedades de un material.

11. Clasificación de los materiales en
base a su arreglo atómico o iónico
En los diferentes estados de la
materia se pueden encontrar
cuatro formas en que se
ordenan los átomos o iones.

12. Arreglos atómicos
 a) Sin orden es aquel en que los
átomos o iones no tienen arreglo
ordenado, es el caso de los gases
monoatómicos, como el argón o el
plasma que se forma en un tubo de luz
fluorescente, (estos materiales llenan
todo el espacio que los contiene).

13.  Niveles de ordenamiento atómico en los materiales: (a) los gases
monoatómicos inertes no tienen ordenamiento regular de átomos. (b) y (c)
Algunos materiales, que incluyen vapor de agua, nitrógeno gaseoso, silicio
amorfo y vidrios de silicato, tienen orden de corto alcance. (d) Los metales,
aleaciones y muchas cerámicas, así como algunos polímeros, tienen
ordenamiento regular de átomos o iones que se extiende a través del
material.

14.  Muchos polímeros muestran también arreglos de corto
alcance, por ejemplo, el polietileno está formado por
cadenas de átomos de carbono con dos átomos de
hidrógeno fijos a cada uno de los carbonos.
 Como el carbono tiene valencia 4 y los átomos de carbono e
hidrógeno están unidos con enlaces covalentes, se produce
una estructura tetraédrica

15. arreglo tetraédrico de los enlaces C-H en el polietileno.

16. Orden de largo alcance
 La mayoría de los metales, y aleaciones,
 los semiconductores, los cerámicos y algunos polímeros
tienen estructura cristalina donde los átomos o iones
muestran orden de largo alcance.
 El arreglo atómico abarca escalas mucho mayores de
100mm.

17.  Los átomos o iones en estos materiales forman un patrón
regular y repetitivo, semejante a una red en tres
dimensiones. A estos arreglos también se les conoce como
redes cristalinas y a los materiales como materiales
cristalinos.
 Si un material esta formado por un solo cristal grande, se le
llama mono cristalino o mocristal, y se utilizan en muchas
aplicaciones electrónicas y ópticas. (ejemplo chips, hasta de
30 cm, de diámetro, mono cristales en forma de películas
delgadas, alabes de turbinas).

18. Fig 1-Muestra un monocristal de silicio.

19.  Un material policristalino está formado por muchos
cristales con diversas orientaciones en el espacio, a
estos cristales más pequeños se les llaman granos.
(Fig. 1)

20. Micrografía de un acero inoxidable policristalino en el que
se observan los granos y los límites de grano.

21. Cristales líquidos (LCD)
 Los cristales líquidos son materiales poliméricos que tienen
un orden especial. En cierto estado los polímeros de cristal
líquido se comportan como materiales amorfos
(semejantes a los líquidos), sin embargo cuando se les
aplica un estímulo externo (como un campo eléctrico, un
cambio de temperatura), algunas moléculas de polímero se
alinean y forman pequeñas regiones cristalinas.

22. Defectos e
imperfecciones

23. Al analizar el término "imperfección de un material'', se
presupone de un error en la organización de dicho
material, y muchas veces, también se enjuicia con
alevosía y asumimos que dicha imperfección,
relacionada con algún tipo de imagen de deformación
que es visualmente perceptible, le atribuyen al material
el valor de obsoleto y no siempre es así.
El arreglo de los átomos o iones en los materiales
diseñados tiene imperfecciones o defectos.
Frecuentemente éstos defectos tiene un efecto
profundo sobre las propiedades de los materiales, y no
necesariamente suceden a niveles macros, y muchas
otras veces, tales errores suelen ser aprovechados en la
aplicación de un material a una necesidad determinada.

24. Defectos puntuales
Los defectos puntuales son alteraciones o
discontinuidades de la red cristalina con respecto a la
ideal, provocadas por uno o varios átomos. Se originan
por el movimiento de átomos durante el calentamiento
o procesado del material, introducción de impurezas o
por aleación.
Estos defectos distorsionan la red a lo largo de cientos
de átomos. Una dislocación que se propaga por el
material ordenado encontrará cerca del defecto puntual
una región estructural desordenada. Para continuar su
movimiento y vencer al defecto, la dislocación necesita
un esfuerzo mayor. Se incrementa por tanto la
resistencia mecánica del material

25. Los defectos puntuales se pueden introducir por el
movimiento de los átomos o iones al aumentar la
energía por calentamiento, durante el procesamiento
del material, por introducción de impurezas o por
dopado. Los dopantes son elementos o compuestos
que se agregan en forma deliberada y en cantidades
conocidas en lugares específicos de una
microestructura, buscando un efecto benéfico en las
propiedades de dicho material.

26.  Vacancia: se produce cuando falta un átomo o ión en su sitio
normal en la red cristalina. Esta se origina durante la
solidificación a alta temperatura o como consecuencia de los
daños provocados por la radiación (intencional). En la ausencia
de un átomo aumenta el desorden normal o entropía del
material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de un
material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen
defectos de vacancia.
 Defecto Intersticial: Se forma cuando se inserta un átomo o ión
adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente
desocupada. Los átomos intersticiales son mayores que los huecos
intersticiales que ocupan y menores que los átomos reticulares que
los rodean, es decir, aquellos que definirán su número de
coordinación. Si hay dislocaciones en los cristales al tratar de mover
estos tipoos de defectos, se encuentran con resistencia a su
movimiento, con lo que se vuelve difícil crear deformación
permanente en metales y aleaciones. La cantidad de átomos se
mantiene prácticamente constante a pesar del aumento térmico.

27.  Efecto sustitucional: Cuando un átomo es sustituido con un tipo
distinto de átomo o ión, los átomos sustitucionales ocupan el sitio
normal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o iones
normales en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los
espacios interatómicos vecinos, o pueden ser menores, lo cual
causará que los átomos vecinos tengan distancias interatómicas
mayores. Si el defecto sustitucional es mayor que los átomos
normales la red se comprime, si es menor la red se expande
(tensión). El número de defectos sustitucionales no depende de la
temperatura.
 Otros defectos puntuales: Frenkel - es un par de defectos (intersticial
+ vacancia) . En un cristal iónico, un ión salta su sitio normal a un
sitio intersticial, dejando una vacancia. Y Schottky, es un par de
defectos (vacancia+vacancia). En un cristal iónico, falta
simultáneamente un anión y un catión.

28. Movimientos de átomos.

29. Aplicación de la difusión.
Difusión: Es el movimiento de los átomos en un material.
Los átomos se mueven de una manera predecible,
tratando de eliminar diferencias de concentración y de
producir una composición homogénea y uniforme.
La capacidad de los átomos y de las
imperfecciones para difundirse aumenta
conforme se aumenta la temperatura, o los
átomos incrementan su energía térmica.

30. Para que es necesario la
difusión:
•Tratamiento térmico de los materiales,
•Manufactura de cerámicos.
•Solidificación de los materiales.
•Fabricación de transistores y celdas solares.
•Conductividad eléctrica de muchos cerámicos.

31. Difusión solido, liquido y gaseoso
Los gases: el movimiento de los átomos es
relativamente veloz.
Los líquidos: los átomos poseen un
movimiento más lento

32. Mecanismos de la Difusión
 Existen 2 tipos de mecanismos de difusión:
1. Mecanismo de difusión por vacantes o
sustitucional.
Las vacantes en los metales son defectos en
equilibrio, y por ello algunos están siempre
presentes para facilitar que tenga lugar la
difusión sustitucional de los átomos. Según
va aumentando la temperatura del metal se
producirán más vacantes y habrá más
energía térmica disponible, por tanto, el
grado de difusión es mayor a temperaturas
más altas.

33. Mecanismo de difusión intersticial.
 Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los
átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño
comparado con el de los átomos de la matriz.