06Estructura-microestructura-macroestructura-

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Ingeniería de Materiales 				52
Estructura - Microestructura - Propiedades
El estudio del origen de las propiedades de los materiales está relacionado con la estructura interna. Si se consideran las propiedades mecánicas, es diferente la ductilidad de los cerámicos y las aleaciones. 
	
Ductilidad de aleaciones y cerámicos
En una aleación los electrones exteriores de cada átomo tienden a ser compartidos entre átomos, produciéndose una tensión localizada por lo que un defecto del material se subsana sin inconvenientes. En un cerámico, el reparto de electrones entre los átomos se establece en forma de enlaces químicos, muy localizados y fuertemente direccionales. El desplazamiento de un defecto requiere la ruptura de dichos enlaces y establecimiento de otros nuevos, de manera tal que la tensión necesaria para corregir dicho defecto puede a veces exceder la tensión de rotura del material. Los estudios en la actualidad están dirigidos a obtener cerámicos sin defectos
El caso del aluminiuro de níquel es interesante porque exhibe un orden cristalino. El orden confiere a esta aleación gran resistencia mecánica incluso a altas temperaturas. Mediante adición de intersticiales de boro y sustitución de átomos de aluminio por átomos de hafnio se obtiene una forma policristalina que tiene gran resistencia mecánica y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Por lo tanto en sistemas de generación de energía es posible operar a mayores temperaturas, con mayor eficacia.
Estructuras ordenadas
Tratamiento de residuos radiactivos
El estudio del tratamiento de residuos radiactivos está dirigido a la búsqueda de minerales tales como la circonolita y la perovskita. Ambos son extremadamente insolubles y tienen gran capacidad para retener elementos radiactivos uranio y torio. Una vez incorporados los residuos radiactivos, se procedería a la vitrificación para la obtención de cerámicas. 
Los átomos radiactivos sustituirían al zirconio en la circonalita y al calcio en la perovskita
 
Perovskita
Estructura del mineral circonita
Los enlaces químicos, que dependen de la estructura electrónica del material, están directamente relacionados con las propiedades de dicho material. En la mayoría de los materiales se presenta una combinación de enlaces. El enlace iónico se establece entre iones, que son átomos cargados positivamente o negativamente. En este caso los iones con cargas opuestas sufren atracción mutua. En el enlace covalente, cada pareja de átomos comparte sus electrones externos para llenar la última capa electrónica. En un metal, los electrones de las capas externas son compartidos entre todos los átomos, moviéndose a través de la red; constituyen los electrones de conducción. El enlace de Van der Waals es una atracción débil entre moléculas o átomos neutros cercanos. El débil enlace por puente de hidrógeno está formado por un átomo de hidrógeno que es compartido por dos moléculas.
El modelo atómico de Bohr, es una consecuencia de la depuración de otros modelos: 
· Modelo atómico de Thomson (demostró la existencia de electrones)
· Modelo atómico de Rutherford (corteza de electrones girando alrededor de un núcleo positivo) 
· Modelo atómico de Bohr- (modelo cuántico)
· Modelo atómico de Sommerfeld (perfeccionó el modelo de Bohr)
· Modelo atómico de Schrödinger (modelo cuántico no relativista. Los electrones giraban en orbitas elípticas y existían los neutrones)
Existe una amplia gama de materiales y técnicas de fabricación de aplicación en las diferentes facetas de la industria y todas tienen relación con el estado de la estructura interna y la microestructura. 
El estudio de las propiedades de los materiales se basa en analizar las interacciones de los componentes básicos denominados partículas fundamentales (electrones, neutrones y protones), que se agrupan en núcleos, átomos, moléculas. 
Estos grupos se combinan para formar la materia que observamos macroscópicamente.
Los átomos y moléculas son el resultado de interacciones electromagnéticas de los núcleos (carga positiva) con los electrones (carga negativa)
Es posible estudiar los átomos y moléculas combinando leyes del electromagnetismo con las de la mecánica cuántica. Los núcleos son el resultado de fuerzas nucleares.
El estudio de las partículas fundamentales también considera las interacciones débiles. La interacción gravitacional es la más débil de todas.  En definitiva la intensidad relativa de las interacciones es:
			Nuclear: 1
			Electromagnética: 10-2 
			Débil: 10-13 
			Gravitacional: 10-38
Enlaces atómicos
Cualitativamente las uniones atómicas son fuertes o débiles, direccionales o no direccionales. Dependen de las energías y posiciones de los electrones de enlace con respecto a los centros iónicos positivamente cargados.
Casos límite de enlaces primarios: Covalente, metálico e iónico.
Los casos límite de enlaces secundarios están relacionados con débiles atracciones dipolares.
El comportamiento de los electrones obedece a leyes de la mecánica cuántica. Los aspectos destacables relacionados con el hecho de que los electrones sean partículas mecánico-cuánticas se resume a continuación:
1 – Salto cuántico: El cambio de energía del electrón produce un salto cuántico hacia otro nivel permitido, absorbiendo o emitiendo energía radiante:
 E = E2 – E1 = h 
2 – Principio de exclusión. Un nivel de energía debe ser ocupado por un máximo de dos electrones, con los spines opuestos
3 – Principio de incertidumbre. Según esta característica cuántica, no es posible describir en forma completa el movimiento de los electrones. La incertidumbre del momento y de la posición, están relacionadas con la constante de Planck
Enlaces químicos
Los tipos de enlaces de las partículas fundamentales responden a la función onda, si bien la solución exacta se logra con la ecuación de Schrödinger. En este caso se tiene que los niveles cuantizados de energía, o estados cuánticos de los electrones corresponden a ondas estacionarias – que no cambian su posición con el tiempo – con diferentes números de nodos – lugares donde la amplitud de la onda se hace cero -. Es decir que los electrones responden a una ecuación similar a la de una onda vibrante fija en los extremos: 
u: Desplazamiento transversal máximo de un segmento de cuerda dx 
x: Distancia a lo largo de la cuerda
: Longitud de onda
Sustituyendo la función de onda por la amplitud u, la longitud de onda de De Broglie h/mv por y E-V por la energía cinética 1/2mv2, se tiene: 
Enlaces iónicos
Los átomos de elementos tales como Na y Ca, con uno o dos electrones en sus orbitales de valencia, respectivamente liberan con facilidad esos electrones externos y se transforman en iones de carga positiva. Dado que siempre hay una atracción coulombiana entre los materiales cargados positivamente y negativamente, se forma un enlace entre los iones vecinos de cargas distintas.
Enlaces covalentes
Los electrones están compartidos. Los electrones no pueden ser localizados con precisión sin un cierto grado de incertidumbre Los orbitales moleculares desarrollados hacen que la energía promedio del electrón externo o de valencia, disminuyaa cuando la molécula se forma a partir de los dos átomos individuales. El ejemplo clásico es el diamante, que es de mayor dureza presente en la naturaleza y está constituido por carbono. Cada carbono tiene 4 electrones de valencia. Estos están compartidos por los átomos adyacentes para formar una red tridimensional unida totalmente por pares covalentes. La fuerza de enlace covalente en este caso está demostrada por la dureza del diamante y por la alta temperatura necesaria para romper las uniones por energía térmica (fusión a 3000 ºC). Al contrario que en el caso de las atracciones coulombianas, los enlaces covalentes se forman con átomos específicos. 
Enlaces metálicos
Es un modelo complejo. Los electrones deslocalizados responden a campos eléctricos moviéndose en una capa con un patrón de onda. De hecho la conductividades posible si un electrodo positivo está presente para eliminar electrones desde un extremo de la capa y existe un electrodo negativo disponible para suministrar electrones al otro extremo. Los electrones deslocalizados pueden moverse en tres dimensiones formando una nube o gas, dado que tiene una menor fuerza de unión.
Enlaces secundarios
Fuerzas de Van der Waals 
Mecanismos: Dipolos inducidos - Moléculas polares - Puente de hidrógeno
Enlaces de moléculas
Molécula es un grupo de átomos fuertemente unidos, pero que sus enlaces con otros grupos de átomos similares son relativamente débiles. H20, CO2, HNO3, moléculas orgánicas, etc.
Característica:
	Fuerzas intramoleculares fuertes
	Fuerzas intermoleculares débiles
Estructura cristalina
La celda unitaria es la mínima unidad mediante la cual el cristal puede constituirse por repetición en tres direcciones considerando el sistema ortogonala
Celda fcc
a
Celda bcc
a
Celda hc
a: distancia interatómica o constante de red
Defectos en redes cristalinas
Defectos puntuales
Dislocación de borde
Redes cristalográficas
Los arreglos atómicos o moleculares dan lugar a las redes cristalinas. Las redes cristalinas de distintos materiales se diferencian por la forma y las dimensiones de las celdas elementales. La densidad de la red cristalina (volumen que ocupan los átomos), constituye un monocristal o policristal
Redes cristalográficas
La estructura interna está relacionada con los enlaces atómicos y la interacción electrónica. Desde este punto de vista, la mecánica cuántica es el ámbito de estudio de las propiedades de los materiales.
En el campo de la Ingeniería y la Tecnología, se trata de determinar la relación entre la microestructura y las propiedades. 
Densidad de planos atómicos
Índices de Miller (hkl): Son las inversas de las intersecciones de los planos cristalográficos del sistema de coordenadas x, y, z. 
Distancias interatómicas a en el eje x, b en el eje y c en el eje z 
	Intersección
	hkl
	Plano
	a, 1b, c
	010
	010
	1a, 1b, c
	110
	010
	1a, 1b, 1c
	111
	111
Energía de enlace
0-a: Distancia interatómica de equilibrio. Las fuerzas de atracción son iguales a las de repulsión 
Por ejemplo un par de iones de carga opuesta que se los acerca hasta estar muy juntos 
Ea=∞–Emín: Energía de unión. Esta energía se liberaría si los átomos se acercan (0 ºK)
Solidificación
Etapas de solidificación:
1 - Formación de núcleos
2 - Crecimiento hasta formar cristales
3 - Agregado de cristales para formar granos y límites de grano asociados
El tamaño de grano en esta etapa depende del número de sitios en que se inicie la solidificación y de la velocidad de crecimiento de los mismos. Ejerce gran influencia en las propiedades mecánicas del material. 
Formación del policristal. Los granos se orientan al azar
Los contornos o límites de grano son de solo pocos diámetros atómicos de ancho 
Según Hall y Petch: d –1/2 
: Tensión de fluencia
d: Diámetro de grano 
Microestructura
Un cristal real no presenta una disposición ideal de los átomos. Tiene defectos puntuales, lineales y superficiales 
Un conjunto de monocristales, incluyendo defectos puntuales, lineales y superficiales constituyen un policristal. Esto origina la microestructura. 
Microestructura de acero de 0.45 % C - 100x
La microestructura se analiza en un microscopio óptico hasta 1000x
Tipos de microestructuras
	Primaria. Se origina en la solidificación primaria (dendrítica)
	Secundaria. Durante la solificación se producen transformaciones de fase (por ejemplo en aceros la austenita pasa a ferrita)
	Terciaria. Un ejemplo típico es la recristalización en aceros. Por calentamiento (a 950 ºC) y mantenimiento durante un cierto tiempo, se genera una microestructura de granos finos. La recristalización puede dar lugar a granos mas finos si se introducen finas partículas de segundas fases que se ubican en bordes de grano para actuar como anclajes y posteriormente se aplican grandes porcentajes de deformación (recristalización dinámica).
Alta resolución
Scanning Electronic Microscopy. El microscopio electrónico de barrido puede dar información de imágenes y también de microanálisis químico semicuantitativo (SEM-EDAX).
Análisis de fractura
Superficie de fractura de probeta de tracción Acero aleado Mn-Ni-Mo 3200x
Microanálisis en SEM-EDAX
 Óxidos - 25000x Espectro EDAX de microfases analizadas
Con microscopio electrónico se puede observar hasta 50000x
Macroestructura
	Morfología del material que se observa a simple vista o con la ayuda de lupas (por ejemplo, morfología de solidificación en lingotes, líneas de deformación de forja, etc.)	
Grano fino
Zona sobreenfriada
Granos columnares
Granos equiaxiados
 Zona central
Morfología de lingote de acero
10x – Macrografía de engranaje nitrurado 
Falla de fatiga
Propiedades sensibles e insensibles a cambios de estructura interna 
Estructura interna
Es aplicable el modelo atómico Bohr.
Partículas fundamentales:
	Protón (masa 1.672x10-24 g y carga 4.802x10-10 ues)
	Neutrón (masa 1.675x10-24 g y carga 0)
	Electrón (masa 90107x10-28 g y carga 4.802x10-10 ues)
Estructura electrónica de elementos
Se comparten todos 
los electrones deslocalizados
Transferencia de electrones.
Crea par de iones de carga opuesta
Enlaces atómicosDistribución compartida
de electrones
Propiedades sensibles e insensibles
Si se considera una fase cristalina ideal. Las posiciones atómicas se definen como posiciones medias porque los átomos están en continua agitación térmica, que los hace vibrar alrededor de esas posiciones medias. En estas condiciones existen propiedades predecibles similares a los determinados en cristales reales (propiedades insensibles). 
Las propiedades sensibles dependen de las desviaciones que presentan los cristales reales de los ideales. 
Las propiedades insensibles a la estructura son características definidas de una fase, mientras que las propiedades sensibles no solo dependen de la estructura y composición del cristal, sino de pequeños detalles estructurales que a su vez tienen relación con la historia de la muestra.
Las propiedades sensibles se refieren a una parte del material
Las propiedades insensibles tienen relación con todo el material como tal.
I - Propiedades insensibles
Mecánicas: 
	Densidad
	Módulo de elasticidad
Térmicas
Dilatación térmica
	Punto de fusión
	Conductividad térmica
	Calor específico
Emisividad
Eléctricas
	Resistividad
	Potencial electroquímico
	Propiedades termoeléctricas
Magnéticas
	Propiedades magnéticas y paramagnéticas
Opticas
	Reflectividad
Nucleares
Absorción de la radiación
II - Propiedades sensibles
Mecánicas
	Resistencia a la fatiga
	Plasticidad
		Aleación policristalina y polifásica
Deformación plástica por dislocaciones
	Creep
	Anelasticidad
	Fractura
Eléctricas
	Resistividad de semiconductores y a bajas temperaturas
Magnéticas
	Ferromagnéticas
	Magnetostricción
0
4
2
2
2
2
=
+
u
dx
u
d
l
p
0
)
(
8
2
2
2
2
=
-
+
y
p
y
V
E
h
m
dx
d
Planos 010Planos 111Planos 110
ccccccccccccccc–
a
a
123
C:\dx16\eds\edto6\edax316L.spcLabel C: edax316LcLsec:30Prst: 96L15:42:329-09-08
CrKaFS : 1850 CPS : 4550 Cnts : 30 Kev : 4.50