Estructura i Propietats dels Materials: Una Guia Completa

Els elements metàl·lics tendeixen a perdre electrons, mentre que els no metàl·lics tendeixen a capturar-los.

Famílies de Materials

Metalls

• Enllaç metàl·lic
• Pesants
• Bona conductivitat
• Sovint cars

Ceràmics

• Enllaç iònic
• Fràgils
• Barats
• Bons aïllants

Polímers

• Enllaç covalent
• Barats
• Bons aïllants
• Lleugers

Factors que Influeixen en l'Estructura dels Materials

L'estructura dels materials depèn de dos factors principals:

Velocitat de Refredament

• Alta velocitat: Afavoreix la formació d'estructures amorfes.
• Baixa velocitat: Afavoreix la formació d'estructures cristal·lines.

Complexitat del Material

• Baixa complexitat: Tendeix a formar estructures cristal·lines.
• Alta complexitat: Tendeix a formar estructures amorfes.

En general, els metalls presenten estructures cristal·lines, els ceràmics poden ser cristal·lins o amorfes, i els polímers solen ser amorfes.

Propietats dels Polímers

Les propietats dels polímers estan directament relacionades amb la seva estructura:

• Estructura desordenada: Resulta en una densitat menor.
• Estructura ordenada: Resulta en una densitat major.

Fenòmens Relacionats amb l'Estructura Cristal·lina

Polimorfisme

És la capacitat de certs metalls de canviar les propietats de la seva estructura en funció de la temperatura.

Isomorfisme

És la qualitat per la qual diferents metalls presenten la mateixa estructura cristal·lina. S'utilitza per a la fabricació d'aliatges.

Tipus de Cristalls

• Equiaxial: Dimensions similars en tots els eixos.
• Columnar: S'estenen de fora cap a dins.
• Deformat en fred: Estirats en una direcció específica.

Imperfeccions en l'Estructura Cristal·lina

Les imperfeccions es classifiquen en tres tipus principals:

Imperfeccions Puntuals

Origen en un sol punt de la xarxa cristal·lina:

• Vacants: Absència d'un àtom en la posició de la xarxa.
• Intersticials: Àtoms que ocupen espais buits entre els àtoms de la xarxa.
• Substitucionals: Àtoms de la xarxa substituïts per àtoms similars.

Imperfeccions Lineals (Dislocacions)

Origen al llarg d'una línia:

• De falca (cunya): Un pla addicional d'àtoms inserit a la xarxa.
• Helicoidal: Es formen per l'aplicació d'esforços de cisallament.

Imperfeccions Superficials

Origen en una superfície o límit dins del material:

• Vores de gra: Zones que separen diferents grans cristal·lins.
• Macles: Zones dins d'un gra on hi ha un canvi simètric en l'orientació cristal·lina.

Impacte de les Imperfeccions i Aliatges

Les imperfeccions cristal·lines són fonamentals per a la formació d'aliatges i influeixen en el comportament mecànic dels materials.

Tipus d'Aliatges

• Solució sòlida: Una barreja homogènia a nivell atòmic.
• Polifàsics: Es barregen diferents fases (grans) en lloc d'àtoms individuals.

Comportament Mecànic

• Ductilitat: Facilitat de moviment de les dislocacions.
• Enduriment: Dificultat en el moviment de les dislocacions.

Assaig de Tracció i Propietats Mecàniques

Assaig de Tracció

Avaluació de la resposta d'un material sota càrrega:

• Estricció: Deformació localitzada que es produeix abans de la fractura.
• Tenacitat: Energia que un material pot absorbir abans de trencar-se.
• Duresa: Resistència d'un material a ser penetrat o ratllat.

Conceptes Relacionats

• Concentrador de tensions: Fenomen on l'esforç es concentra en zones amb canvis bruscos de geometria (com esquerdes), augmentant el risc de fallada.
• Fatiga: Degradació del material causada per esforços cíclics que varien en el temps. La fallada es produeix quan s'acumula un nombre suficient de cicles (defatiga).

Etapes de la Fatiga

1. Generació d'una esquerda inicial.
2. Creixement de l'esquerda.
3. Fallada catastròfica de la peça.

És crucial evitar o reduir els concentradors de tensions per prevenir la fatiga.

Aplicacions i Tractaments dels Materials

• Tractaments Termoquímics: Alteren la composició química superficial d'un material per millorar les seves propietats.
• Soldadura: Procés d'unió de materials en fase sòlida mitjançant compressió i temperatura, permetent unir materials heterogenis i grans seccions.
• Sinterització: Etapa clau en la fabricació de peces sòlides, que implica compactar pols metàl·liques o ceràmiques a alta pressió i temperatura per obtenir una peça densa.
• Dopatge: Addició d'impureses a materials semiconductors per modificar la seva conductivitat elèctrica.