Estructura Cristalina i Propietats Mecàniques dels Materials

Estructura Cristalina

Quan un material té els àtoms ordenats, presenta una estructura cristal·lina. En cas contrari, es tracta d'un material no cristal·lí o amorf.

Cela Unitat

És la subdivisió de la xarxa cristal·lina que segueix conservant les característiques generals de la xarxa. És una entitat petita que s’utilitza per descriure la simetria de l’estructura cristal·lina. Mitjançant la seva geometria i la posició dels àtoms a l'interior, es defineix l’estructura cristal·lina.

Estructures Cristal·lines dels Metalls

La majoria dels metalls cristal·litzen en alguna d'aquestes tres estructures cristal·lines: estructura cúbica centrada en les cares (FCC), estructura cristal·lina centrada en el cos (BCC) i estructura cristal·lina hexagonal compacta (HC).

En qualsevol estructura cristal·lina, hi ha dos paràmetres importants: el nombre de coordinació i el factor d'empaquetament atòmic (FEA). El nombre de coordinació es defineix com el nombre d’àtoms veïns amb què està en contacte un àtom concret. El FEA és la fracció de volum de les esferes atòmiques en relació amb el volum total de la cel·la unitat: FEA = volum dels àtoms de la cel·la unitat / volum total de la cel·la unitat. El factor FEA és important perquè determina la densitat dels materials.

Estructura Cristallina Hexagonal Compacta (HC)

En aquesta estructura, les bases superior i inferior consisteixen en hexàgons regulars. Els àtoms ocupen posicions en cada un dels vèrtexs de les bases i també n'hi ha un al centre. Entre les dues bases, hi ha un pla extra que proporciona tres àtoms més a la cel·la. Cada cel·la unitat equival a sis àtoms.

Estructura Cristallina Centrada en les Cares (FCC)

En aquesta estructura, els àtoms estan localitzats en els vèrtexs del cub de la cel·la unitat i en les cares del cub. Cristal·litzen segons aquesta estructura el coure, l’alumini, la plata i l’or.

En aquest tipus d’estructura, els àtoms que ocupen els vèrtexs de la cel·la són compartits per vuit cel·les, mentre que els àtoms que ocupen les cares del cub són compartits per dues cel·les.

Estructura Cristallina Centrada en el Cos (BCC)

Aquesta té vuit àtoms localitzats en els vuit vèrtexs i un àtom localitzat al centre interior de la cel·la unitat. Els àtoms del centre i dels vèrtexs es toquen mútuament al llarg de les diagonals del cub.

Sistemes Cristal·lins

Els sistemes cristal·lins són una altra manera de classificar els materials atenent a la seva estructura interna. La classificació anterior, segons cel·les, té en compte la posició dels àtoms dins la cel·la; ara bé, una altra manera possible de classificar és atenent a la forma geomètrica de la cel·la, i aquesta és la classificació segons els sistemes cristal·lins. Si classifiquem atenent només a la forma geomètrica de la cel·la i no a la posició que ocupen els àtoms a l'interior, aquesta es defineix en funció de sis paràmetres, anomenats paràmetres de xarxa: la longitud de tres arestes a, b i c, i tres angles α, β i γ.

Ressonància

La ressonància és un fenomen segons el qual alguns sistemes (mecànics, elèctrics, etc.) són sensibles a certes freqüències. Un sistema pot acumular una quantitat d’energia si aquesta és aplicada de forma periòdica amb una freqüència propera a l’anomenada freqüència de ressonància. Si s’aplica aquesta freqüència de ressonància, el cos vibra i l’amplitud d’aquest moviment augmenta després de cada aplicació d'esforç. Quan l’esforç arriba a un nivell determinat, pot provocar la destrucció del cos.

Les principals propietats mecàniques dels materials són les següents:

• Relació entre la tensió-deformació (mòdul elàstic, límit elàstic, resistència a la tracció, deformació elàstica, deformació plàstica i tensió de ruptura del material)
• Ductilitat i fragilitat
• Tenacitat
• Fatiga
• Duresa
• Ressonància

Resiliència

És la capacitat d'un material per absorbir energia abans del trencament. S'ha de tenir en compte la temperatura, ja que pot passar de dúctil a fràgil si és molt baixa.

Deformació Elàstica

La deformació elàstica ε és aquella que es recupera quan s’elimina l’esforç que la produeix. La deformació elàstica no és permanent, és reversible; això significa que quan es retira la càrrega, la peça recupera la seva forma i dimensions originals.

En la deformació elàstica, es dóna una proporcionalitat entre la tensió σ aplicada i la deformació produïda ε en el material. Aquesta relació s’anomena Llei de Hooke i segueix la següent equació: E = σ/ε, on E és la constant de proporcionalitat i s’anomena mòdul d’elasticitat o mòdul de Young. El mòdul de Young es mesura en MPa.

Aquest mòdul es pot interpretar com la rigidesa d’un material, és a dir, la seva resistència a la deformació elàstica. Quan més gran és aquest mòdul, menys es deforma elàsticament quan se li aplica una tensió. El valor d'E disminueix quan augmenta la temperatura.

Deformació Plàstica

La deformació plàstica és aquella que implica una deformació permanent un cop es retira la càrrega a què és sotmès el material. La deformació plàstica deixa de ser proporcional a la tensió aplicada, és a dir, la Llei de Hooke deixa de ser vàlida, no és aplicable.

Anelasticitat

L’anelasticitat es defineix com la dependència de la deformació elàstica en funció del temps. En molts materials, la deformació no es produeix de forma instantània quan se li aplica un esforç; igualment, tampoc es recupera instantàniament la forma inicial quan aquest es retira.

Coeficient de Poisson

El coeficient de Poisson és un paràmetre que relaciona la deformació produïda en la direcció d’aplicació de l’esforç respecte la deformació produïda en les cares laterals perpendiculars a la direcció d’aplicació de l’esforç.