QUIMICA DE MATERIALES

1. Historia de los materiales y su clasificación

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el comienzo de la civilización , los materiales, junto con la energía, han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están fabricados a base de materiales, éstos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro. Los más comúnmente encontrados son madera , hormigón , ladrillo , acero , plástico , vidrio , caucho , aluminio , cobre y papel . Existen muchos más tipos de materiales y sólo se tiene que mirar alrededor para darse cuenta de ello . Debido al progreso de los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos materiales.

La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales , los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes . Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes , los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo inverso : los ingenieros de diseño tienen dificultades y requieren que sea creado un nuevo material por parte de los científicos investigadores e ingenieros.

La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo, los ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente . Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas .

2. Tipos de materiales

Por conveniencia, la mayoria de los materiales de la ingeniería estan divididos en tres grupos principales: materiales metálicos , poliméricos y cerámicos.

Materiales metálicos. Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o mas elementos metálicos , pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Ejemplo de elementos metalicos son hierro, cobre , aluminio , niquel y titanio, mientras que como elementos no metalicos podriamos mencionar al carbono.

Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio, la loza , los ailantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad , conformabilidad y resistencia al impacto.

Polímeros. En éstos se incluyen el caucho (el hule) , los plásticos y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas .

Fases componentes de un sólido desde su estructura intermolecular

Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, liquid y gaseosa, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo familiar para todos de dos fases de una sustancia pura en equilibrio es un vaso de agua con cubos de hielo. En este caso, el agua, sólida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante la ebullición del agua, el agua líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.

En el diagrama de fases presión-temperatura (PT} del agua existe un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098 ⁰C), donde las fases sólida, liquida y gaseosa coexisten. Las fases liquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización y las fases líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación. Estas líneas son lineas de equilibrio entre dos fases.

El díagrama de fases en equilibrio (PT) se puede construir también para otras sustancias puras. Por ejemplo, el diagrama de fases de equilibrio PT del hierro puro. Una diferencia fundamental de este diagrama de fases es que tiene tres fases sólidas distintas y separadas: Fe alfa (~, Fe gamma (y) y Fe delta (~).

El hierro ~ y <5 tiene estructuras cristalinas BBC, mientras el hierro y tiene una estructura FCC. Las fases límite en el estado sólido tienen las mismas propiedades que entre liquido y sólido. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el hierro ~ y y puede existir a una temperatura de 910 ⁰C y una atmósfera de presión. Por encima de 910 ⁰C sólo existe la fase y, y por debajo de 910 ⁰C sólo existe la fase ~. Hay también tres puntos triple en el díagrama PT del hierro donde las tres fases diferentes coexisten: (1) líquido, vapor Fe <5; (2) vapor, Fe <5 y Fe y; y (3) vapor, Fe y y Fe ~.

3. Regla de las fases de GIBBS

A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación, llamada regla de fases de Gibbs, es:
P+F= C+2 donde:
P = número de fases que pueden coexistir en el sistema elegido; C = número de componentes en el sistema y F = grados de libertad.

Normalmente, un componente C es un elemento, compuesto, o solución en el sistema. F son los grados de libertad, es decir, el número de variables (presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar independientemente sin variar el número de fases en equilibrio en el sistema elegido.

Consideremos la aplicación de la regla de Gibbs al diagrama de fases presión-temperatura PT del agua pura. En el punto triple coexisten tres fases en equilibrio, y como hay un componente en el sistema (agua), se puede calcular el número de grados de libertad:
P+F=C+2
3 +F= 1+2
F = O (cero grados de libertad)
Como ninguna de las variables (presión o temperatura) se puede cambiar e incluso manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.
Consideremos ahora un punto de la curva de congelación sólido-liquido. En cualquier punto de esa línea hay dos fases que coexisten. Así, aplicando la regla de fases,
2+ F= 1+2
F = 1 (un grado de libertad).

Este resultado nos indica que tenemos un grado de libertad, y así, una variable (T o P) se puede cambiar manteniendo aún un sistema con dos fases que coexisten. Por tanto, si se específica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten. Para un tercer caso, consideremos un punto, dentro de una fase única, en el diagrama de fases PT del agua. Sólo habrá una fase presente (P = 1), y sustituyendo en la ecuación de la regla de las fases:
1 +F= 1+2
F = 2 (dos grados de libertad)

Este resultado nos indica que pueden ser cambiadas dos variables independientemente (presión y temperatura), y el sistema permanecerá en una única fase.
La mayor parte de los diagramas de fase binarios usados en Ciencia de Materiales son diagramas temperatura-composición, en los que la presión se mantiene constante, normalmente a una atm. En este caso, tenemos la regla de fases condensada, dada por P+F=C+ 1.

Sistemas de aleaciones isomorfas binarias

Consideremos ahora una mezcla o aleación de dos metales en vez de sustancias puras. Una mezcla de dos metales se llama aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico en una aleación se considera un componente separado. Así, el cobre puro es un sistema de un único componente, mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos componentes. Algunas veces un componente en la aleación se considera también un componente separado. Por ejemplo, aceros de carbono ordinario que contienen principalmente hierro y carburo se consideran sistemas de dos componentes.

En algunos sistemas binarios metálicos, los dos componentes son completamente solubles entre sí, tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un único tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se llaman sistemas isomorfos. En relación a los dos elementos que se disuelven completamente entre si, normalmente satisfacen una o más de las siguientes condiciones formuladas por Hume-Rothery y conocidas como reglas de solubilidad de sólidos de Hume-Rothery:

1. Las estructuras cristalinas de cada elemento de la muestra deben ser iguales.
2. El tamaño de cada uno de los dos elementos no deben diferir en más del 15 por 100.
3. Los elementos no deben formar compuestos entre si. No debe haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos.
4. Los elementos deben tener la misma valencia.

Todas las reglas de Hume-Rothery no son siempre aplicables para todos los pares de elementos que presentan solubilidad sólida. Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. Un diagrama de fase de este sistema con la temperatura como ordenada y la composición química en tanto por 100 en peso, como abscisa, se suele mostrar como ejemplo. Este diagrama se ha determinado para un sistema que se enfría lentamente o en condiciones de equilibrio con la presión atmosférica y no tiene aplicación para aleaciones que se enfrían rápidamente en el rango de la temperatura de solidificación. El área sobre la línea superior del diagrama, llamada liquidus, corresponde a la región de estabilidad de la fase líquida, y el área por debajo de la línea inferior, o solidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región de dos fases donde líquido y sólido coexisten.

En la región de una sola fase de solución sólida ~, tanto la temperatura como la composición han de ser especificadas si se quiere situar un punto en el diagrama de fases. Por ejemplo, a la temperatura de 1050 ⁰C y 20 por 100 de Ni, se especifica el punto a del diagrama de fases Cu-Ni. La microestructura de la solución sólida ~ a esta temperatura y composición aparece como la de un metal puro. Es decir, el único rasgo observable en el microscopio óptico serán los límites de grano. Sin embargo, debido a que la aleación es una solución sólida del 20 por 100 de Ni en Cu, ésta tendrá mucha más dureza y resistividad eléctrica que el cobre puro.

En la región entre las líneas liquidus y solidus, ambas fases existen. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación. Consideremos una aleación de 53 por 100 en peso en Ni, 47 por 100 en peso en Cu a 1300 ⁰C . Puesto que esta aleación contiene las fases líquida y sólida a 1300 ⁰C, ninguna de estas fases puede tener la composición promedio de 53 % Ni y 47% Cu. La composición de las fases líquida y sólida se puede determinar al dibujar una isoterma desde la línea de liquidus a la de solidus a 1300 ⁰C, y luego bajar verticales hasta el eje horizontal de las composiciones. La composición de la fase líquida (w₁) a 1300 ⁰C es 45% en peso de Ni y la de la fase sólida (w,> es del 58% en peso de Ni, como indica la intersección de las líneas verticales de trazos con el eje de composición.

Los diagramas binarios de equilibrio para componentes que son completamente solubles entre sí en el estado sólido, se pueden construir a partir de una serie de curvas de enfriamiento liquido-sólido, como se muestra para el sistema Cu-Ni.

Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran horizontales de estabilización térmica en sus puntos de solidificación. Las soluciones sólidas binarias presentan cambios de inclinación en sus curvas de enfriamiento en las líneas liquidus y solidus, con composiciones del 80% Cu-20% Ni, 50% Cu-50% Ni, y 20% Cu-80% Ni. Los cambios de inclinación L₅, L₂ y L₃ corresponden a los puntos de la línea líquidus L₅, L₂ y L₃ . Análogamente, los cambios de pendiente de S₁, S₂ y S₃ se corresponden con los puntos de la línea sólidus S₁, S₂ y S₃. Para más exactitud en la construcción del diagrama de fase del Cu-Ni, se pueden calcular más curvas de enfriamiento de aleaciones con composiciones intermedias.

4. Liga metálica de un material y enlaces existente para su configuración

Enlaces metálicos
En metales en estado sólido , los átomos se encuentran empaquetados, relativamente muy juntos, en una ordenación sistemática o estructura cristalina . Por ejemplo, la disposición de los átomos de cobre en el cobre cristalino consiste en que los átomos están tan juntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre sólido, cada átomo está rodeado por otros 12 átomos más próximos . Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos por enlace metálico para lograr un estado de más baja energía (o más estable) . Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el enlace metálico los electrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de este modo , en general , el enlace metálico no resulta direccional.

Fuerzas de van der Waals

Excepto en un gas muy dispersado, las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí. Éstas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo . Las moléculas no polares se atraen entre sí mediante interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de London, que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por otra. En este caso, los electrones de una molecula son débilmente atraídos hacia el nucleo de otra, pero entonces los electrones de ésta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals . La distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der Waals a la distancia a la que la fuerza atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproximan a distancias más cortas que el radio de van der Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los núcleos y las capas electrónicas . Cuando la distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der Waals, las fuerzas atractivas entre las moléculas disminuyen.

Enlace iónico

Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales) . En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente . Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática o culombiana entre iones con carga opuesta . Los enlaces iónicos se forman entre iones opuestamente cargados, porque se produce una disminución neta de la energía potencial para los iones enlazados.

Enlace covalente

Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente . Mientras el enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica . En el enlace covalente los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros átomos , de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (más estables), como consecuencia de la interacción de los electrones . En el enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.

Redes cristalograficas existentes

Sistemas cristalográficos

Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias sólo siete tipos diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales. La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica . A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro tipos de celdas unidad :

Sencilla
Centrada en el cuerpo
Centrada en las caras
Centrada en la base

En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad : cúbica sencilla , cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema ortorrómbico están representados los cuatro tipos . En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base , y los sistemas romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una celda unidad .

Estructuras cristalográficas

La mayoría de los metales elementales (alrededor del 90%), cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC), cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP). La estructura HCP es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor parte de los metales cristalizan en esas estructuras densamente empaquetadas, debido a que se libera energía a medida que los átomos se apróximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. De este modo, dichas estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable. Examinemos ahora detalladamente la disposición de los átomos en las celdas unidad de las tres principales estructuras cristalinas. Aunque solo sea una aproximación consideremos a los átomos de estas estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los átomos en las estructuras cristalinas puede ser determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por ejemplo , la distancia interatómica entre dos átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20 ⁰ C es 0.2862 nm.
Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la mitad de la distancia interatómica , o 0.143 nm.

Planos cristalinos

Dirección en la celda

A menudo es necesario referirnos a posiciones específicas en las redes cristalinas . Esto es especialmente importante para metales y aleaciones con propiedades que varían con la orientación cristalográfica . Para cristales cúbicos, los índices de las direcciones cristalográficas son los componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas pequeños .

Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica unitaria, dibujamos un vector de dirección desde el origen (que es normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta que sale la superficie del cubo. Las coordenadas de posición de la celda unidad donde el vector de posición sale de la superficie del cubo, después de ser convertidas a enteros, son los indices de dirección. Los indices de dirección se encierran entre corchetes sin separación por comas.

Planos en una celda unitaria

Las superficies cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser identificadas comúnmente utilizando cuatro índices en lugar de tres. Los índices para los planos cristalinos HCP, llamados indices Miller-Bravais, son designados por las letras h , k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ). Éstos índices hexagonales están basados en un sistema coordenado de 4 ejes .
Existen 3 ejes basicos , a₁ , a₂ , a₃, que forman 120⁰ entre sí. El cuarto eje o eje c es el eje vertical y está localizado en el centro de la celdilla unidad . La unidad a de medida a lo largo de los ejes a₁ a₂ a₃ es la distancia entre los átomos a lo largo de estos ejes; la unidad de medida a lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino determina con los ejes , a₁ , a₂ , a₃ proporciona los índices h, k e i mientras el recíproco de la intersección con el eje c da el índice l

Notación para planos

Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes para esta celdilla unidad, puesto que el plano basal de la celdilla HCP es paralelo a los ejes a₁ , a₂ , a₃ las intersecciones de este plano con estos ejes serán todas de valor infinito . Así , a₁ = ¥ , a₂ = ¥ a₃ = ¥ El eje c , sin embargo , es único, puesto que el plano basal superior intersecciona con el eje c a una distancia unidad . Tomando los recíprocos de estas intersecciones tenemos los indices de Miller-Bravais para el plano Basal HCP. Así , H =0 K=0 I = 0 y L=1. El plano basal es , por tanto, un plano cero-cero-cero-uno o plano (0001) .

Importancia del indice de Milller

A veces es necesario referirnos a planos reticulares específicos de átomos dentro de una estructura cristalina o puede ser interesante conocer la orientación cristalográfica de un plano o grupo de planos en una red cristalina. Para identificar planos cristalinos es estructuras cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller . Los indices de Miller de un plano cristalino están definidos como los recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo unitario. Las aristas de una celda cúbica unitaria presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos de una red se miden en base a estas longitudes unitarias. El procedimiento de determinación de los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico es el siguiente:

Escoger un plano que no pase por el origen en (0,0,0).
Determinar las interacciones del plano en base a los ejes x, y,z cristalográficos para un cubo unitario; estas interacciones pueden ser fraccionarias.
Construir los recíprocos de estas intersecciones.

Despejar fracciones y determinar el conjunto más pequeño de números enteros que estén en la misma razón que las intersecciones. Esos números enteros son los índices de Miller de un plano cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar índices de Miller en sentido general , donde h ,k, y l son los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x, y,z , respectivamente.

                                                                                                                                                                                           © 2000 Javier de Lucas