naturaleza_de_los_materiales

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UNIVERSIDAD DEL BÍO BÍO 
FACULTAD DE INGENIERIA 
DEPARTAMENTO DE MECANICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tema : Naturaleza de los Materiales 
 Capítulo I : Mikell P. Groover. 
 Profesor : Federico Grossmann. 
 
UBB / DIMEC Materiales 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 
 El conocimiento de los materiales es fundamental en el estudio de los procesos de 
manufactura. En el capítulo 1 se definió la manufactura como un proceso de transformación 
donde se modifica al material. El éxito de una operación está determinado por el 
comportamiento del material cuando se le sujeta a fuerzas, temperaturas y otros 
parámetros físicos particulares. Algunos materiales responden bien a ciertos tipos de 
procesos de manufactura y pobremente, o no tan bien, a otros. ¿Cuáles son las 
propiedades y características de los materiales que determinan su capacidad para ser 
transformados mediante diferentes procesos? 
 
 
 
 En este capítulo estudiamos la estructura atómica de la materia y los enlaces entre 
átomos y moléculas. También describimos la manera como se organizan los átomos y las 
moléculas de los materiales de ingeniería en dos formas estructurales: cristalinas y no 
cristalinas. Los materiales básicos de ingeniería —metales, cerámicos y polímeros— 
pueden existir en cualquiera de las dos formas, aunque generalmente, cada material exhibe 
preferencia por una forma particular. Los metales, por ejemplo, casi siempre son cristalinos 
en su estado sólido. Otros materiales, como el vidrio utilizado en las ventanas o algún 
cerámico, adoptan formas no cristalinas. 
 
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2.1 LA ESTRUCTURA ATÓMICA Y LOS ELEMENTOS 
 
 La unidad estructural básica de la materia es el átomo. Cada átomo está 
compuesto de un núcleo cargado positivamente rodeado de un número suficiente de 
electrones cargados negativamente, de manera que sus cargas se equilibren. El número de 
electrones indica el número atómico y el elemento de que se trata. Existen poco más de 100 
elementos (sin contar algunos extras que han sido sintetizados artificialmente), y éstos son 
los constituyentes químicos de toda la materia. 
 
 Así como hay diferencias entre los elementos, también existen similitudes. Los 
elementos pueden agruparse en familias y establecer relaciones entre y dentro de dichas 
familias, por medio de la tabla periódica que se muestra en la figura 2.1. Existen ciertas 
repeticiones o periodicidades en dirección horizontal del arreglo de los elementos. Los 
elementos metálicos ocupan la porción izquierda y central, los no metálicos se sitúan hacia 
la derecha. Entre los dos grupos existe una zona de transición, una banda diagonal donde 
se encuentran los elementos llamados metaloides o semimetales. En principio, cada 
elemento puede existir como sólido, líquido o gas, dependiendo de la temperatura y la 
presión. Cada uno tiene su fase natural a la temperatura ambiente y a la presión 
atmosférica; por ejemplo, el hierro (Fe) es un sólido, el mercurio (Hg) es un liquido y el 
nitrógeno (N) es un gas. 
 
 En la tabla, los elementos se arreglan en columnas y renglones de manera que las 
similitudes se den entre los elementos de una misma columna. Por ejemplo, en la columna 
de la extrema derecha están los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón), 
todos ellos exhiben una gran estabilidad química y baja reactividad; en la columna VII A, los 
halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) comparten propiedades similares (el 
hidrógeno no se incluye dentro de los halógenos); en la columna IB se encuentran los 
metales nobles (cobre, plata y oro), los cuales poseen también propiedades similares. 
Generalmente existe correlación de propiedades entre elementos de una misma columna, 
mientras que existen diferencias entre los elementos colocados en columnas diferentes. 
Muchas de las similitudes y diferencias entre los elementos pueden explicarse por 
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sus respectivas estructuras atómicas. El modelo más simple de estructura atómica, llamado 
modelo planetario, le imagina a los electrones del átomo circulando en órbitas o capas 
electrónicas alrededor del núcleo a ciertas distancias fijas, tal como se muestra en la figura 
2.2. El átomo de hidrógeno (número atómico 1) tiene un electrón en la órbita más cercana al 
núcleo. El helio (número atómico 2) tiene dos. En la figura también se muestra la estructura 
atómica del flúor (número atómico 9), del neón (número atómico 10) y del sodio (número 
atómico 11). De estos modelos podemos inferir que hay un número máximo de electrones 
que cada órbita puede contener. El máximo de electrones se define por: 
 Máximo número de electrones = 2n2 (2.1) 
 
donde n representa la órbita, siendo n = 1 la más cercana al núcleo. 
 
 El número de electrones en la capa más alejada, con relación al máximo de 
electrones permitidos, determina en gran parte la afinidad química del átomo por otros 
átomos. Estos electrones de la capa externa son llamados electrones de valencia. Por 
ejemplo, como el átomo de hidrógeno sólo tiene un electrón en su única órbita, se combina 
fácilmente con otro átomo de hidrógeno para formar una molécula de hidrógeno H2. Por la 
misma razón, el hidrógeno también reacciona fácilmente con varios otros elementos (por 
ejemplo para formar H20). En el átomo de helio, los dos electrones en su única órbita son los 
máximos permitidos [2n2 = 2(1)2 = 2], y así el helio es muy estable. El neón es estable por la 
misma razón; su órbita externa (n = 2) tiene ocho electrones (los máximos permitidos), por 
eso el neón es un gas inerte. 
 
 En contraste con el neón, el flúor tiene en su órbita externa (n = 2) un electrón 
menos que el máximo permitido y muestra una gran atracción hacia otros elementos con los 
que puede compartir un electrón para formar una combinación más estable. El átomo de 
sodio parece haber sido hecho divinamente para la situación, con un electrón en su última 
órbita, reacciona fuertemente con el flúor para formar el fluoruro de sodio, tal como se 
muestra en la figura 2.3. 
 
 La predicción del número de electrones en la órbita externa es bastante directa 
para los bajos números atómicos considerados aquí, pero a medida que el número atómico 
aumenta a niveles más altos, la distribución de los electrones en las diferentes órbitas se 
vuelve algo más complicada; hay reglas y lineamientos basados en la mecánica cuántica 
que se pueden usar para predecir la posición de los electrones en las diferentes órbitas, y 
para explicar sus características. El análisis de estas reglas queda más allá del contexto 
que cubrimos aquí sobre los materiales para manufactura. 
 
FIGURA 2.2 Modelo simple de la estructura atómica para diversos elementos: (a) 
hidrógeno, (b) belio,(c) flúor, (d) neón y (e) sodio. 
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FIGURA 2.3 Molécula de fluoruro de sodio formada por la transferencia del electrón extra 
del átomo de sodio para completar la órbita exterior del átomo de flúor. 
 
 
 
2.2 ENLACES ENTRE ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 
 
 Los átomos se mantienen juntos en las moléculas mediante varios tipos de enlaces 
que dependen de los electrones de valencia. En comparación, las moléculas se atraen unas 
a otras mediante enlaces más débiles que son resultado de la configuración de los 
electrones dentro de las moléculas individuales. Por tanto, tenemos dos tipos de enlaces: 1) 
enlaces primarios asociados con la formación de moléculas, y 2) enlaces secundarios 
asociados generalmente con la atracción entre moléculas. Los enlaces primarios son 
mucho más fuertes que los secundarios. 
 
 
2.2.1 Enlaces primarios 
 
 Los enlaces primarios se caracterizan por atracciones fuertes entre los átomos 
provocadas por el intercambio de electrones de valencia. Estos enlaces pueden darse en 
las siguientes formas: a) iónica, b) covalente y e) metálica, las cuales se ilustran en la figura 
2.4. Los enlaces iónicos y covalentes son llamados enlacesintramoleculares porque 
implican fuerzas de atracción entre los átomos dentro de la molécula. 
 
 En el enlace iónico, los átomos de un elemento ceden sus electrones exteriores, 
los cuales son a su vez atraídos por los átomos de algún otro elemento para completar a 
ocho la cuenta de electrones en su capa exterior. Ocho electrones en la capa exterior 
constituyen por lo general la configuración atómica más estable (excepto para átomos muy 
ligeros), la naturaleza une fuertemente a los átomos que alcanzan esta configuración. Los 
ejemplos anteriores de la reacción del sodio y el flúor para formar fluoruro de sodio (figura 
2.3) ilustran esta forma de enlace atómico. El cloruro de sodio (sal de mesa) es un ejemplo 
muy común. Los iones de sodio y flúor (o sodio y cloro) se forman debido a la transferencia 
de electrones, de ahí derivan su nombre los enlaces iónicos. Las propiedades de los 
materiales sólidos con enlaces iónicos incluyen baja conductividad eléctrica y ductilidad 
pobre. 
 
 
 
 
 
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FIGURA 2.4 Tres formas de enlaces primarios: (a) iónico, (b) covalente y (c) metálico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.5 Dos ejemplos de enlaces covalentes: (a) flúor gaseoso, F2, y (b) diamante. 
 
 
 En el enlace covalente no se transfieren los electrones, sino que se comparten en 
las capas externas entre los átomos, para lograr un conjunto estable de ocho. El flúor y el 
diamante proporcionan dos ejemplos de enlaces covalentes. En el flúor, un electrón de 
cada dos átomos se comparte para formar el gas F2 como se muestra en la figura 2.5(a). En 
el caso del diamante, que es carbono con un número atómico 6, cada átomo tiene cuatro 
vecinos con los cuales comparte electrones. Esto produce una estructura tridimensional 
muy rígida, no representada adecuadamente por la figura 2.5(b), que es la causa de la alta 
dureza en este material. Otras formas de carbono, como el grafito, no exhiben esta rigidez 
en su estructura atómica. Los sólidos con enlaces covalentes poseen generalmente alta 
dureza y baja conductividad eléctrica. 
 
 El enlace metálico es el mecanismo de enlace atómico en los metales puros y en 
las aleaciones. Los átomos de los elementos metálicos poseen muy pocos electrones en 
sus órbitas externas para completar las capas externas de la totalidad de átomos en un 
bloque de metal. Por consiguiente, en los enlaces metálicos se comparten los electrones de 
todos los átomos, formando una nube general de electrones que permea al bloque entero. 
Esta nube proporciona las fuerzas de atracción para mantener juntos a los átomos y ayuda 
a formar una fuerte estructura rígida, en la mayoría de los casos. Debido a la distribución de 
electrones y a la libertad de éstos para moverse dentro del metal, los enlaces metálicos 
proporcionan una buena conductividad eléctrica. Mientras que en los otros tipos de enlaces 
 
primarios, los átomos comparten sus electrones solamente entre átomos vecinos; por 
consiguiente, estos materiales son conductores pobres de electricidad. Otras propiedades 
típicas de los materiales que poseen enlaces metálicos son: buena conducción de calor y 
buena ductilidad. Aunque faltan por definir algunos términos, confiamos en la comprensión 
general del lector acerca de las propiedades del material. 
 
 
2.2.2 Enlaces secundarios 
 
 Mientras los enlaces primarios involucran fuerzas atractivas de átomo a átomo, los 
enlaces secundarios involucran fuerzas de atracción entre moléculas o fuerzas 
intermoleculares. Como no hay transferencia de electrones compartidos en los enlaces 
secundarios, éstos son más débiles que los enlaces primarios. Hay tres formas de enlaces 
secundarios: a) fuerzas dipolares, b) fuerzas de London y e) enlaces de hidrógeno, todas 
ellas ilustradas en la figura 2.6. Los tipos a) y b) se denominan frecuentemente fuerzas de 
Van der Walls en honor al científico que primero las estudió y cuantificó. 
 Las fuerzas dipolares surgen en una molécula compuesta de dos átomos que 
tienen cargas eléctricas iguales y opuestas como se muestra en la figura 2.6(a) para el 
cloruro de hidrógeno. Aunque el material es eléctricamente neutro en su forma agregada, a 
escala molecular los dipolos individuales se atraen mutuamente a causa de la orientación 
en los extremos positivos y negativos de las moléculas. Estas fuerzas dipolares producen 
una red de enlaces moleculares dentro del material. 
 
 
FIGURA 2.6 Tipos de enlaces secundarios (a) fuerzas dipolares, (b) fuerzas de London (c) 
enlaces de hidrógeno 
 
 
 Las fuerzas de London comprenden fuerzas atractivas entre moléculas no polares; 
es decir, los átomos en las moléculas no forman dipolos en el sentido del párrafo anterior; 
sin embargo, debido al rápido movimiento de los electrones en órbita alrededor de la 
molécula se forman dipolos temporales cuando se concentran más electrones de un lado 
que del otro, como se sugiere en la figura 2.6(b). Los dipolos instantáneos producen una 
fuerza de atracción entre las moléculas del material. 
 
 Finalmente los enlaces de hidrógeno se establecen en moléculas que contienen 
átomos de hidrógeno unidos mediante un enlace covalente a otro átomo (al oxígeno, por 
ejemplo en H20). Como los electrones necesarios para completar la capa exterior del átomo 
de hidrógeno quedan alineados a un lado de su núcleo, el lado opuesto adquiere una carga 
positiva neta que atrae a los átomos de las moléculas vecinas. Los enlaces de hidrógeno se 
ilustran en la figura 2.6(c) para el agua y son generalmente una forma más fuerte de enlace 
secundario que las otras dos; esto es importante en la formación de muchos polímeros. 
2.3 ESTRUCTURAS CRISTALINAS 
 
 Los átomos y las moléculas son los elementos de construcción de la materia, cuya 
 
estructura macroscópica estudiamos en ésta y la siguiente sección. Cuando los materiales 
en estado líquido se solidifican tienden a cerrar filas y a compactarse estrechamente, 
adoptando en muchos casos una estructura muy ordenada, y en otros no tan ordenada. Se 
pueden distinguir dos estructuras fundamentales de la materia: 1) cristalina y 2) no 
cristalina. En la presente sección examinamos las estructuras cristalinas, y en la siguiente 
las no cristalinas. 
 
 Cuando pasan del estado líquido o fundido al estado sólido, muchas sustancias 
forman cristales; ésta es virtualmente una característica de todos los metales, así como de 
muchos materiales cerámicos o polímeros. En una estructura cristalina, los átomos toman 
posiciones regulares recurrentes en tres dimensiones. El patrón puede repetirse millones 
de veces dentro de un cristal dado. La estructura puede visualizarse como una celda 
unitaria, la cual constituye el agrupamiento geométrico básico de los átomos que se repite 
indefinidamente. Considérese, para ilustrar esto, el cristal cúbico centrado en el cuerpo 
(BCC, por body-centered cubic.) mostrado en la figura 2.7, una de las estructuras comunes 
que adoptan los metales. El modelo más simple de la celda unitaria BCC se ilustra en la 
parte (a) de la figura. Aunque este modelo describe claramente la colocación de los átomos 
dentro de la celda, no indica el empaquetamiento compacto de los átomos que se da en un 
cristal real, como se observa en la parte (b); en la parte (e) se representa la naturaleza 
repetitiva de la celda unitaria dentro del cristal. 
 
 
FIGURA 2.7 Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC): (a) celda unitaria 
indicando la posición de los átomos en un sistema tridimensional de ejes, (b) modelo de 
celda unitaria mostrando el apilado compacto de los átomos (algunas veces llamado 
modelo de esferas duras); y (c) patrón repetitivo de la estructura BCC. 
 
 
2.3.1 Tipos de estructuras cristalinas 
 
 Son comunes tres estructuras de retículas cristalinas entre los metales: cúbica 
centrada en el cuerpo (BCC), cúbica centrada en la cara (FCC, por las siglas en inglés 
deface-centered cubic) y hexagonal compacta (HCP, por las siglas en inglés de hexagonal 
closedpacked), todas ellas ilustradas en la figura 2.8; las estructuras cristalinas de los 
metales comunes se presentan en la tabla 2.1. Debemos hacer notar que algunos metales 
sufren cambios de estructura a diferentes temperaturas; por ejemplo, el hierro es BCC a 
temperatura normal, pero cambia a FCC a temperaturas arriba de 16745F (9125C) y vuelve 
a BCC a temperaturas superiores a los 25509F (14005C). Cuando un metal (u otro material) 
cambia su estructura de esta manera, se dice que es alotrópico. 
2.3.2 Imperfecciones de los cristales 
 
 
 Hasta aquí hemos analizado la estructura de los cristales como si fueran perfectos 
-la celda unitaria repetida en el material una y otra vez en todas las direcciones. Algunas 
veces es muy deseable que un cristal perfecto cumpla propósitos estéticos o de ingeniería. 
Un diamante perfecto que no contenga manchas es más valioso que otro con 
imperfecciones. En la producción de componentes electrónicos, un gran monocristal de 
silicio posee características deseables de proceso para formar los detalles microscópicos 
del modelo de un circuito. 
 
 
FIGURA 2.8 Tres tipos de estructuras cristalinas en metales: la) cúbica centrada en el 
cuerpo, (b) cúbica centrada en la cara, y (c) hexagonal compacta. 
 
 
 
 Sin embargo, existen varias razones por las que la estructura reticular de un cristal 
pueda no ser perfecta. 
 
 Las imperfecciones surgen a menudo naturalmente, debido a la incapacidad del 
material que se solidifica para seguir reproduciendo indefinidamente sin interrupción su 
celda unitaria; los límites de grano en los metales son un ejemplo. En otros casos, las 
imperfecciones se introducen intencionalmente durante el proceso de manufactura, como 
es el caso de la adición de un elemento que ligue con el metal para aumentar su resistencia. 
Las diversas imperfecciones en un sólido cristalino son llamados también defectos. Ambos 
términos, imperfecciones o defectos, se refieren a desviaciones del patrón regular en la 
estructura reticular de un cristal. Se pueden catalogar como 1) defectos puntuales, 2) 
defectos lineales y 3) defectos superficiales. 
 
 
TABLA 2.1 Estructuras cristalinas de metales comunes (a temperatura ambiente). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTRUCTURA METAL
Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Cromo (Cr)
Hierro (Fe)
Molibdeno (Mo)
Tantalio (Ta)
Tungsteno (W)
Cúbica centrada en la cara (FCC) Aluminio (Al)
Cobre (Cu)
Oro (Au)
Plomo (Pb)
Plata (Ag)
Níquel (Ni)
Hexagonal compacta (HCP) Magnesio (Mg)
Titanio (Ti)
Zinc (Zn)
 
 
 
 Los defectos puntuales son imperfecciones en la estructura del cristal que 
involucran ya sea un átomo o varios átomos. Los defectos pueden tomar varias formas 
incluyendo, como lo demuestra la figura 2.9: (a) vacante, el defecto más simple causado por 
un átomo faltante dentro de la estructura reticular; (b) vacante de par jónico, también 
llamado defecto de Schottky, que consiste en la falta de un par de iones con carga opuesta 
en un compuesto que tiene un equilibrio total de carga; (c) intersticio o intersticialidad, una 
distorsión de la retícula producida por la presencia de un átomo extra en la estructura, y (d) 
desplazamiento iónico, conocido como el defecto de Frenkel, que ocurre cuando un ion es 
removido de su posición regular en la estructura de la retícula y se inserta en una posición 
intersticial no ocupada normalmente por dicho ion. 
 
FIGURA 2.9 Defectos puntuales (a) vacante, (b) vacante de par iónico, (c) intersticialidad, y 
(d) desplazamiento iónico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.10 Defectos lineales: (a) dislocación de borde y (b) dislocación de tornillo. 
 
 
 
 Un defecto lineal es un grupo de defectos puntuales conectados que forman una 
línea en la estructura de la retícula. El más importante defecto lineal es la dislocación que 
puede tomar dos formas: a) dislocación de borde y b) dislocación de tornillo. Una 
dislocación de borde es la orilla de un plano extra de átomos que existe en la celda, tal como 
se ilustra en la figura 2.10 (a). Una dislocación de tornillo [figura 2.10(b)] es una espiral 
dentro de la estructura reticular que se enrosca alrededor de una imperfección lineal, de la 
misma manera que se enrosca un tornillo alrededor de su eje. Ambos tipos de dislocación 
pueden surgir en la estructura cristalina durante la solidificación (en fundición, por ejemplo), 
o se pueden iniciar durante un proceso de deformación (formado de metal, por ejemplo) 
ejecutado sobre el material sólido. Las dislocaciones son útiles para explicar ciertos 
aspectos del comportamiento mecánico de los metales. 
 
 Los defectos superficiales son imperfecciones que se extienden en dos 
dimensiones para formar un limite. El ejemplo más obvio de limite es la superficie externa 
que define la forma de un objeto cristalino. La superficie es una interrupción en la estructura 
reticular, los límites superficiales pueden penetrar dentro del material. El mejor ejemplo de 
estas interrupciones superficiales internas son los limites de grano, los cuales se revisarán 
enseguida, pero primero consideremos cómo ocurren las deformaciones en una retícula 
cristalina y cómo ayuda la presencia de las dislocaciones en los procesos. 
 
 
2.3.3 Deformación en cristales metálicos 
 
 Cuando un cristal se sujeta a un esfuerzo mecánico creciente, su primera reacción 
consiste en deformarse elásticamente. Esto se puede atribuir a una inclinación de la 
estructura reticular sin ningún cambio de posición entre los átomos que la componen, en la 
forma descrita en la figura 2.11 (a) y (b). Si la fuerza cesa, la estructura reticular (y por tanto 
el cristal) vuelven a su forma original. Si el esfuerzo alcanza un alto valor con respecto a las 
fuerzas electrostáticas que mantienen a los átomos en su posición en la celda, ocurre un 
cambio permanente llamado deformación plástica. Lo que ha pasado es que los átomos en 
la celda se han movido en forma permanente con respecto a su posición previa, y la retícula 
ha alcanzado un nuevo equilibrio, tal como se sugiere en la figura 2.11(c). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.11 Deformación de una estructura cristalina: (a) retícula original; (b) 
deformación elástica sin cambio permanente en la posición de los átomos; y (c) 
Deformación plástica en la cuál los átomos dela retícula son forzados a tomar nuevas 
posiciones. 
 
 
 
La deformación de la celda mostrada en la parte (c) es un posible mecanismo 
llamado deslizamiento, por el cual puede ocurrir una deformación plástica en una estructura 
cristalina; la otra se llama maclaje. 
 
 El deslizamiento implica el movimiento relativo de átomos colocados en los lados 
opuestos de un plano de la celda llamado plano de deslizamiento. El plano de 
deslizamiento, de alguna manera, debe estar alineado con la estructura reticular (como se 
indica en nuestro croquis), de esta forma existen ciertas direcciones preferentes en las que 
es más probable que ocurra el deslizamiento. El número de estas direcciones de 
deslizamiento depende del tipo de celda. Las tres estructuras cristalinas comunes de 
metales son algo más complicadas que la celda cuadrada representada en la figura 2.11, 
especialmente en tres dimensiones. La estructura HCP es la que tiene menos direcciones 
de deslizamiento, la BCC es la que tiene más, y la FCC queda en medio de las dos. Los 
metales HCP muestran una pobre ductilidad y por lo general es difícil deformarlos a 
temperatura normal. Podría esperarse que los metales con estructura BCC exhibieran la 
máxima ductilidad si el número de direcciones de deslizamiento fuera el único criterio, sin 
embargo la naturaleza no es tan simple. Estos metales son generalmente más resistentes 
que los otros , lo cual complica las cosas de tal manera que los metales BCC requieren 
usualmente esfuerzos más altos para provocar el deslizamiento. De hecho algunos metales 
BCC exhiben una pobre ductilidad. El acero de bajo carbono es una notable excepción; 
aunque su resistencia es relativa,se utiliza ampliamente con gran éxito comercial en 
operaciones de conformado de láminas, donde exhibe una buena ductilidad. Los metales 
FCC son generalmente los más dúctiles de las tres estructuras cristalinas, porque combinan 
un buen número de direcciones con una resistencia de baja a moderada. Las tres 
estructuras metálicas se hacen más dúctiles a elevadas temperaturas, este factor se 
aprovecha a menudo para darles forma. 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.12 Efecto de las dislocaciones en la estructura de la retícula sometida a 
esfuerzo. En la serie de diagramas el movimiento de la dislocación permite que la 
deformación tenga lugar con menos esfuerzo que en una retícula perfecta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.13 El maclaje implica la formación de una imagen atómica especular (una 
gemela) en el lado opuesto del plano de maclaje: (1) antes y (2) después del maclaje. 
 
 
 
 
 Las dislocaciones juegan un papel importante para facilitar el deslizamiento en los 
metales. Cuando se sujeta una estructura reticular que contiene dislocaciones de borde a 
un esfuerzo cortante, el material se deforma mucho más fácilmente que una estructura 
perfecta. Esto se explica por el hecho de que la dislocación se pone en movimiento dentro 
de la celda en presencia del esfuerzo, tal como se representa en la serie de esquemas de la 
figura 2.12. ¿Por qué es más fácil mover una dislocación a través de la celda que 
deformarla? La respuesta es que en la dislocación de borde los átomos requieren un menor 
desplazamiento dentro de la estructura reticular distorsionada para alcanzar su nueva 
posición de equilibrio, por tanto necesitan menor nivel de energía para realinearse en su 
nueva posición, que con una retícula sin dislocación. Por consiguiente, se requieren 
menores niveles de esfuerzo para efectuar la deformación, y como la celda manifiesta en su 
nueva posición distorsiones similares, el movimiento de los átomos continúa a menores 
niveles de esfuerzo. 
 
 
 Hasta aquí hemos explicado los fenómenos de deformación y la influencia de las 
dislocaciones sobre una base microscópica. A una escala mayor, los deslizamientos 
ocurren muchas veces a lo largo de un metal cuando éste se somete a una carga 
deformante, ocasionando que el metal exhiba el comportamiento macroscópico con el cual 
estamos familiarizados. Las dislocaciones representan una situación favorable o 
desfavorable; debido a ellas, el material es más dúctil y cede más fácilmente a la 
deformación plástica (conformado) durante la manufactura; no obstante, desde el punto de 
vista de diseño, el metal no es tan resistente como pudiera ser en ausencia de 
dislocaciones. 
 
 El maclaje es una segunda manera en la cual se deforman plásticamente los 
cristales. El maclaje se puede definir como el mecanismo de deformación plástica, 
mediante el cual los átomos en un lado del plano (llamado plano de maclaje) se desvían 
para formar una imagen especular (simétrica) de los átomos al otro lado del plano. Esto se 
ilustra en la figura 2.13. El mecanismo es importante en metales HCP (zinc y magnesio, por 
ejemplo) porque éstos no se deslizan fácilmente. Otro factor en el maclaje, además de la 
estructura, es la velocidad de la deformación. Los mecanismos de deslizamiento requieren 
más tiempo que el maclaje, el cual puede ocurrir casi instantáneamente, de modo que en 
operaciones donde la velocidad de deformación es alta, los metales se deforman más por 
maclaje que por deslizamiento. El acero de bajo carbono es un ejemplo que ilustra esta 
sensibilidad a la velocidad; cuando se sujeta a altas velocidades de deformación presenta 
maclaje, pero a bajas velocidades presenta deslizamientos. 
 
 
2.3.4 Granos y límites de grano en metales 
 
 Un trozo dado de metal puede contener millones de cristales individuales llamados 
granos. Cada grano tiene una orientación reticular única; pero colectivamente, los granos 
se orientan al azar dentro de la muestra. Describimos esta estructura como policristalina. Se 
comprende fácilmente que dicha estructura es el estado natural del material. Cuando el 
bloque en estado fundido se enfría y comienza a solidificarse, se inicia la nucleación de 
cristales individuales en posiciones y con orientaciones aleatorias dentro del líquido. 
Conforme los cristales van creciendo, llegan a interferir unos con otros y forman en su 
interfase un defecto superficial llamado límite de grano. Los límites de grano consisten en 
una zona de transición, de unos pocos átomos de grueso quizás, en la cual los átomos no 
se alinean con ninguno de los dos granos. 
 
 El tamaño de los granos en la muestra de metal está determinado, entre otros 
factores, por el número de sitios de nucleación en el material fundido y por la rapidez del 
enfriamiento de la masa fundida. Los sitios de nucleación son creados generalmente por las 
paredes relativamente frías del molde, lo cual ocasiona una cierta orientación preferente de 
los granos en estas paredes. 
 
 El tamaño de los granos se relaciona en forma inversa con la rapidez de 
enfriamiento: un enfriamiento rápido promueve granos pequeños, mientras que un 
enfriamiento lento tiene el efecto opuesto. El tamaño de los granos es importante para los 
metales porque afecta sus propiedades mecánicas. Un metal con granos pequeños es 
preferible, desde el punto de vista del diseño, porque representa mayor resistencia y 
dureza. Es también deseable en ciertas operaciones de manufactura (conformado de metal, 
por ejemplo), porque significa mayor ductilidad durante su deformación y una mejor 
superficie del producto terminado. 
 
 
 
Otro factor que tiene influencia sobre las propiedades mecánicas es la presencia 
de límites de grano en el metal, porque representan imperfecciones que interrumpen el 
movimiento continuo de las dislocaciones en la estructura cristalina. Esto ayuda a explicar 
cómo el pequeño tamaño de los granos, así como su mayor cantidad y limites incrementan 
la resistencia del metal. Al interferir con el movimiento de las dislocaciones, los límites de 
grano también contribuyen al endurecimiento por deformación, propiedad característica de 
un metal para adquirir mayor resistencia cuando se le deforma. 
 
 
 
 
2.4 ESTRUCTURAS NO CRISTALINAS (AMORFAS) 
 
 
 Muchos materiales importantes como por ejemplo los líquidos y los gases no son 
cristalinos. El agua y el aire no tienen una estructura cristalina, los metales pierden su 
estructura cristalina al fundirse; el mercurio es un metal liquido a la temperatura ambiente 
con un punto de fusión de 37 0F (380C). Algunas clases importantes de materiales de 
ingeniería tienen en su estado sólido formas no cristalinas. El término amorfo se usa 
frecuentemente para describir estos materiales; el vidrio, muchos plásticos y el hule son 
algunos ejemplos dentro de esta categoría. Muchos plásticos importantes son una mezcla 
de formas cristalinas y no cristalinas. Aún los metales pueden ser más amorfos que 
cristalinos, si la velocidad de enfriamiento durante su transformación de liquido a sólido es 
lo suficientemente rápida como para inhibir el arreglo de los átomos por sí solos en sus 
patrones cristalinos. Esto puede suceder si por ejemplo, se vacía un metal fundido en medio 
de dos rodillos fríos que giran juntos a muy poca distancia. 
 
Dos características estrechamente relacionadas diferencian los materiales no cristalinos de 
los cristalinos: 
 
1) Ausencia de un orden de largo alcance en la estructura molecular del material no 
cristalino 
 
2) Diferencias en las características de fusión y de expansión térmica. 
 
 La diferencia en estructura molecular puede visualizarse en la figura 2.14. El 
patrón compacto y repetitivo de la estructura cristalina se muestra a la izquierda, y el arreglo 
aleatorio y menos denso de los átomos en un material no cristalino a la derecha. Esta 
diferencia es evidente cuando se funde un metal. Para empezar, el apilado más holgado de 
los átomos en el metal fundido presenta un incremento del volumen(reducción de la 
densidad) comparado con el estado sólido cristalino del material. Este efecto es 
característico de la mayoría de los materiales cuando se funden (una notable excepción es 
el hielo; el agua líquido o en sólido, es más densa que el hielo). Una característica general 
de líquidos y sólidos amorfos es la ausencia de un orden de amplio alcance como se 
muestra en la parte derecha de la figura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.14 Diferencia de estructuras entre tal material cristalino y (b) no cristalino. La 
estructura cristalina es regular, repetitiva y más densa; mientras que la no-cristalina es 
menos compacta y con un arreglo aleatorio. 
 
 
 
 Examinemos los fenómenos de la fusión con mayor detalle para definir la segunda 
diferencia importante entre estructuras cristalinas y no cristalinas. Como se indicó 
previamente, un metal experimenta un aumento de volumen cuando pasa del estado sólido 
al estado líquido. En un cambio experimenta un aumento de volumen cuando pasa del 
estado sólido al estado liquido. En un cambio volumétrico que ocurre más bien 
abruptamente a temperatura constante (temperatura de fusión Tm), como se indica en la 
figura 2.15. El cambio representa una discontinuidad en la pendiente de las lineas que se 
muestran en la gráfica. Estos cambios graduales caracterizan a la expansión térmica de los 
metales, el cambio en el volumen es una función de la temperatura, el cual es generalmente 
diferente entre el estado líquido y el sólido. El repentino aumento de volumen en el punto de 
fusión se asocia con la adición de cierta cantidad de calor, llamada calor de fusión, que 
ocasiona una pérdida del denso arreglo regular entre los átomos en la estructura cristalina. 
El proceso es reversible y opera en ambos sentidos. Al enfriar el metal fundido a 
temperatura ambiente ocurre el mismo cambio abrupto de volumen (excepto que ahora es 
una contracción), y la misma cantidad de calor es liberada por el metal. 
 
 Un material amorfo exhibe comportamientos muy diferentes al de un metal puro 
cuando cambia de sólido a liquido o viceversa. La diferencia se ilustra en la figura 2.15. El 
proceso es reversible, pero obsérvese el comportamiento del material cuando se enfría de 
liquido a sólido, en lugar de verlo como antes, cuando se funde a partir del estado sólido. 
Usemos un vidrio (sílice, SiO2) para ilustrar esto. A temperaturas elevadas, el vidrio es un 
verdadero liquido, sus moléculas se mueven libremente como lo establece la definición 
general de un líquido (igual que un metal por arriba de su punto de fusión). Conforme el 
vidrio fundido se enfría, cambia gradualmente al estado sólido y pasa por una fase de 
transición, llamada líquido sobreenfriado, antes de quedar finalmente rígido. No muestra el 
cambio volumétrico repentino que caracteriza a los materiales cristalinos, en su lugar el 
material pasa por su temperatura de fusión (Tm) sin ningún cambio en la inclinación de su 
expansión térmica. En esta región de liquido sobreenfriado, el material se torna cada vez 
más viscoso conforme la temperatura decrece. Con los enfriamientos subsiguientes se 
alcanza un punto donde el liquido sobreenfriado se convierte en sólido. A este punto se le 
llama temperatura de transición referirse a la pendiente de contracción térmica; sin 
embargo, la pendiente es la misma para la expansión que para la contracción). El 
coeficiente de expansión térmica es menor para el material sólido que para el liquido 
sobreenfriado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2.15 cambio característico de volumen para un metal puro luna estructura 
cristalina comparado con el mismo cambio volumétrico en el vidrio luna estructura no 
Líquido cristalina. 
 
 
 La diferencia en el comportamiento entre materiales cristalinos y no cristalinos, con 
relación a la respuesta de sus estructuras frente a los cambios de temperatura, puede 
delinearse como sigue. Cuando un metal puro se solidifica a partir de su estado de fusión, 
los átomos se organizan en una estructura regular, recurrente y cristalina que es mucho 
más compacta que la estructura holgada y aleatoria del líquido del cual proviene. De esta 
manera, el proceso de solidificación produce la abrupta contracción volumétrica del material 
cristalino ilustrada en la figura 2.15. En contraste, cuando los materiales amorfos se 
encuentran a temperaturas bajas no alcanzan esa estructura repetitiva y compacta, sino la 
misma estructura aleatoria que la de su estado líquido; por consiguiente, no existe un 
cambio volumétrico brusco cuando el liquido se transforma en sólido. 
 
 
 
2.5 MATERIALES DE INGENIERÍA 
 
 En esta sección se resume la interrelación de la estructura atómica, los enlaces y 
la estructura cristalina (o su ausencia) con los tipos de materiales de ingeniería: metales, 
cerámicos y polímeros. 
 
Metales Los metales tienen casi sin excepción estructuras cristalinas en su estado sólido. 
La celda unitaria de estas estructuras cristalinas es casi siempre BCC, FCC, o HCP. Los 
átomos de los metales se mantienen unidos por enlaces metálicos, esto significa que sus 
electrones de valencia pueden cambiar de sitio con relativa facilidad (comparada con los 
otros tipos de enlaces atómicos y moleculares). Estas estructuras y enlaces generalmente 
imparten a los metales su resistencia y dureza características. Muchos metales son 
bastante dúctiles (capacidad de deformarse, propiedad muy útil en manufactura) 
especialmente los metales FCC. Otras propiedades generales de los metales relacionadas 
con su estructura y enlaces incluyen una alta conductividad eléctrica y térmica, opacidad 
(impenetrabilidad de los rayos de luz) y reflectividad (capacidad de reflejar los rayos de luz). 
Cerámicos Los materiales cerámicos tienen moléculas que se caracterizan por sus 
 
enlaces iónicos, covalentes, o por ambos. Los átomos metálicos ceden o comparten sus 
electrones externos con otros átomos no metálicos, esto origina una poderosa fuerza de 
atracción dentro de las moléculas. Entre las propiedades generales que resultan de estos 
mecanismos de enlace se pueden mencionar: su alta dureza y rigidez (incluso a 
temperaturas elevadas), su fragilidad (no ductilidad), son aislantes eléctricos (no 
conductividad), refractarios (térmicamente resistentes) y químicamente inertes. 
 
 Estos materiales pueden presentar una estructura cristalina o no cristalina; la 
mayoría de ellos tienen una estructura cristalina, mientras que los vidrios hechos a base de 
sílice (SiO2) son amorfos. En algunos casos pueden existir cualquiera de las dos 
estructuras en el mismo material cerámico; por ejemplo, la sílice se encuentra en la 
naturaleza en forma de cuarzo cristalizado, pero cuando se funde y se deja enfriar solidifica 
para formar sílice fundida que presenta una estructura no cristalina. 
 
Polímeros Una molécula de polímero consta de muchas moléculas que se repiten para for-
mar una más larga, unida por medio de enlaces covalentes. Los elementos que componen 
los polímeros son por lo general el carbono, y algunos otros como el hidrógeno, el 
nitrógeno, el oxígeno y el cloro. Los enlaces secundarios (de Van der Walls) mantienen 
unidas a las moléculas dentro del material agregado. Los polímeros pueden presentar una 
estructura vítrea o una mezcla de estructuras vítrea y cristalina. Existen diferencias entre los 
trés tipos de polímeros. En los polímeros termoplásticos están constituidos por largas 
cadenas moleculares de estructura lineal, estos materiales pueden calentarse o enfriarse 
sin que se altere sustancialmente su estructura. En los polímeros termofijos las moléculas 
adoptan una estructura rígida tridimensional cuando se les deja enfriar después de haber 
estado en una condición plástica por calentamiento, si estos materiales se vuelven a 
calentar experimentan una degradación química en lugar de derretirse. Los elastómeros 
poseen grandes moléculas con una estructura espiral que se enrolla y desenrolla cuando se 
sujeta a esfuerzoscíclicos, impartiendo al material sus propiedades elásticas 
características. 
 
 La estructura molecular y los enlaces de los polímetros imparten a éstos materiales 
las propiedades típicas siguientes: baja densidad, alta resistencia eléctrica (algunos 
polímeros se usan como material aislante) y baja conductividad térmica. La resistencia y 
rigidez de los polímeros varían ampliamente. Algunos son fuertes y rígidos (aun cuando no 
igualan la resistencia y rigidez de los metales y de los materiales cerámicos) mientras que 
otros exhiben un comportamiento altamente elástico 
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