TEMA 1. CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL DE LOS MATERIALES • Objetivos Este tema pretende recoger los aspectos estructurales específicos de cada uno de los grandes grupos de materiales de interés tecnológico en la industria actual: materiales metálicos, cerámicos, plásticos y compuestos. Resulta especialmente importante conocer la influencia determinante que dichos aspectos estructurales tienen en las propiedades y características de los materiales. Y, por tanto, que la forma de modificar estas características es actuando sobre la estructura a través de los procesos de fabricación. • Índice de contenidos Introducción. Enlaces atómicos. Tipos de materiales y sus enlaces. Estructura cristalina y amorfa. Estructura cristalina. o Concepto o Direcciones y planos cristalográficos. Índices de Miller METALES. Características genéricas. Importancia industrial. o Estructura cristalina de los metales
Estructura cúbica centrada en el cuerpo
Estructura cúbica centrada en las caras
Estructura hexagonal compacta
Defectos de la estructura cristalina de los metales: puntuales. lineales y superficiales. MATERIALES CERÁMICOS: Concepto, propiedades y características. Importancia industrial. o Cerámicos cristalinos: estructuras tipo: Tipo AX, Tipo AmXp, Tipo AmBnXp y cerámicas covalentes o Cerámicas amorfas. o Defectos estructurales. PLÁSTICOS. Concepto, características e importancia industrial o Métodos de Polimerización. o Estructura química de los materiales poliméricos.
Constitución química
Configuración química o Estructura física de los materiales poliméricos.
Polímeros Semicristalinos.
Polímeros Amorfos o Clasificación estructural de los materiales poliméricos MATERIALES COMPUESTOS: Concepto, propiedades, limitaciones o Configuración estructural
Matriz
Agente reforzante o Clasificación estructural
M.C. reforzados con partículas
M.C. reforzados con fibras
M.C. estructurales • Conocimientos previos Naturaleza de los diferentes tipos de enlace: o Primario (iónico, covalente y metálico) que unen los átomos en el estado sólido o Secundario (fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno). que permite la unión entre moléculas. Características atribuibles a cada tipo de enlace (energía de enlace, direccional/no direccional, permite o no el libre movimiento de electrones en la estructura, grado de compactación de los átomos tras el enlace). Relacionar las características de cada tipo de enlace con ciertas propiedades y características de las materiales en los intervienen esos enlaces. Así : o Energía de enlace/puntos de fusión. o Direccionalidad y compactación /comportamiento mecánico (ductilidad) o Movilidad de electrones/ comportamiento eléctrico (conductividad eléctrica). [Callister, apartados 2.5, 2.6 y 2.7]. Diferencias entre estructura cristalina y amorfa [Callister, apartados 3.2 y 3.16]. Las catorce redes de Bravais, de forma especial las redes del sistema cúbico y del sistema hexagonal [Callister, apartado 3.7]. Conocer la designación mediante los índices de Miller de las direcciones y planos cristalográficos en las redes anteriores. Distancia entre planos de la misma familia. [Callister, apartados 3.8 y 3.9]. Conocer las moléculas orgánicas insaturadas más sencillas (etileno, propileno, estireno) y grupos funcionales orgánicos (alcoholes, éteres, ésteres, aminas, amidas, ácidos) más frecuentes [Callister, apartado 15.2]. Conocer en qué consisten las reacciones orgánicas de adicción y condensación [Callister, apartado 16.10]. • Contenidos básicos a desarrollar en el aula Estructura de los metales puros: o Enlace metálico o Estructura cristalina de los metales (red de nudos + base estructural). Grado de compactación (relación del parámetro de la red con el radio atómico). o Descripción y cálculo de algunas características de los metales a partir del modelo estructural descrito. (Densidad, índice de coordinación y factor de empaquetamiento atómico). Relacionar estos parámetros con el peso de los metales, su estabilidad térmica y su capacidad de deformación plástica. o Concepto de microestructura, alotropía y polimorfismo. o Defectos de la estructura cristalina en los metales y su implicación en el comportamiento de los mismos. Estructura de de los cerámicos. o Enlace iónico/covalente. o Estructura cristalina de los cerámicos avanzados. (tipo NaCl, tipo CaF2, tipo TiBaO3 ) Grado de compactación y determinación de características. Relación de estas características con el comportamiento de los cerámicos. o Aspectos estructurales de los cerámicos amorfos (vidrios inorgánicos). Estructura de los plásticos (polímero + aditivo). o Aspectos químicos de la estructura de un plástico (naturaleza de los monómeros, forma de unirse y configuración de la cadena polimérica. Peso molecular medio. Grado de polimerización medio. o Aspecto físico de la estructura de un plástico (disposición relativa de las cadenas en el espacio).
Plásticos semicristalinos: (Modelo de micelas y esférulas), grado de cristalinidad.
Plásticos amorfos. Estructura de materiales compuestos ó composites. o Configuración estructural (matriz + agente reforzante). o Contribución de cada fase al comportamiento final de compuesto (efecto sinérgico). o Clasificación de los materiales compuestos en función de la morfología y distribución del agente reforzante. • Contenidos complementarios Conocer y justificar el diferente comportamiento de la estructura cristalina y amorfa (diferente respuesta frente a la temperatura, posible comportamiento anisótropo de la estructura cristalina) [Callister, apartados 3.14 y 14.2]. Estructura de los metales puros: o Calculo de densidades de átomos asociados a planos y direcciones cristalográficas de las estructuras cristalinas descritas. Identificación de los planos y direcciones de máxima densidad en cada una de las estructuras [Callister, apartado 3.10]. Estructura de de los cerámicos. o Otras estructuras de cerámicos (tipo ClCs, ZnS, Al2O3 ), cerámicos covalentes (formas alotrópicas del carbono: diamante, grafito y fullerenos). [Callister, apartado 13.2]. o Peculiaridades de los defectos. Dedicar especial atención a los defectos de estos materiales (poros y microgrietas). Implicación en el comportamiento de los cerámicos. [Callister, apartado 13.5]. Estructura de los plásticos (polímero + aditivo). o Relación de los aspectos estructurales descritos con características de los plásticos como su densidad, estabilidad térmica, resistencia a la deformación. [Callister, apartados del 15.6 al 15.11]. Estructura de materiales compuestos ó composites. o Estudio comparativo del comportamiento frente a la temperatura de un material compuesto particulado (PAS), una aleación tratada térmicamente y un compuesto enfibrado. [Callister, apartado 17.3 y figura en presentaciones de PowerPoint]. o Concepto de longitud crítica de fibra. [Callister, apartado 17.4]. • Bibliografía Bibliografía básica. • William D. Callister. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Reverté. Año 2002. Capítulos: 2, 3, 4, 13, 15 y 16. Bibliografía complementaria.
Shackelford, J. F. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales para Ingenieros. 4 Ed. Prentice Hall. Capítulos: 1, 2, 3 y 4.
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