05 Estructura-microestructura-macroestructura-

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Ingeniería de Materiales 51 
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 
Ingeniería de Materiales 52 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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. 
Estructura del mineral circonita Perovskita 
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Thomson
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Rutherford
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Sommerfeld
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Schr%C3%B6dinger
Ingeniería de Materiales 53 
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 
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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 yestá 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 conductividad es 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 
 
0
4
2
2
2
2
 u
dx
ud


0)(
8
2
2
2
2
 

VE
h
m
dx
d
Ingeniería de Materiales 55 
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 ortogonal 
 
 
 
 
 
 
Defectos en redes cristalinas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 
 
 
 
a: distancia interatómica o constante de red 
Defectos puntuales Dislocación de borde 
a 
Celda fcc 
a 
Celda bcc 
a 
Celda hc 
Ingeniería de Materiales 56 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 
Redes cristalográficas 
Planos 010
Planos 111
Planos 110
cc ccc
cc ccc
cc ccc
–
Ingeniería de Materiales 57 
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 
a
a
1 2 3
Ingeniería de Materiales 58 
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 
 
 
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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.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
C:\dx16\eds\edto6\edax316L.spc
Label C: edax316Lc Lsec:30
Prst: 96L
15:42:32 9-09-08
C rKa
FS : 1850 CPS : 4550 Cnts : 30 Kev : 4.50 
10x – Macrografía de engranaje nitrurado 
Falla de fatiga 
Grano fino 
Zona sobreenfriada 
Granos columnares 
Granos equiaxiados 
 Zona central 
Morfología de lingote de acero 
Ingeniería de Materiales 60 
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 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Enlaces atómicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transferencia de electrones. 
Crea par de iones de carga opuesta 
Distribución compartida 
de electrones 
Se comparten todos 
los electrones deslocalizados 
Ingeniería de Materiales 61 
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 dependende 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