Ciencia de Materiales

1. Ciencia y Mecánica de
los Materiales: Estructura
de los Materiales
Dr. Angel Francisco Villalpando Reyna

2. “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. 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
del calor y la
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:
• De punto.
• De línea.
• Inter-faciales.
• 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 Inter-
faciales
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. 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. 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 Fusión: 1.538 °C
Numero atómico: 26
Punto de ebullición: 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. 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. Enfriamiento de Aleaciones
Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido primero,
que el crecimiento requiere que el calor latente de fusión, que se
durante la solidificación del líquido, sea eliminado de la interface
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
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. 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. 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 semi-sintéticos
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/EstructuraCristalinaYSuConsecuenciaEnLasPropiedade
sx
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_orga
nicos_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