Sólido Sóli doss cr cris ista tali lino nosM sMás ás de 90 90% % de só sóli lido doss de or orig igen en na natu tura rall y pr prep epar arad ados os artifcial artif cialment mente e son crist cristalino alinos. s. Mine Minerales rales,, are arena, na, arc arcilla, illa, piedr piedra a cali caliza, za, meta metales, les, carbono (diamante y el grafto), sales (a!l, "!l, etc.), todos tienen estructuras cris cr ista tali linas nas.. #n cr cris istal tal es un una a di dispo sposi sici ción ón reg egul ular ar y rep epet etit iti$ i$o o de át átom omos os o molculas. &a mayor'a de los sólidos, incluyendo todos los metales, adoptan una disposición cristalina debido a ue el grado de estabilización logrado mediante las interacciones entre part'culas $ecinas está en su máimo ni$el adoptando *ormas regulares regulares (en lugar de al azar).
Conceptos sobre materiales cristalinos: Átomos o iones: Son representados como es*eras de diámetr diámetro o f+o.
Reticulado: rreglo rre glo tridimensional de puntos en el ue cada punto tiene los mismos $ecinos.
Celda unitaria: -s el me menor nor gru grupo po de áto átomos mos repr eprese esenta ntati$ ti$o o de una det deter ermin minada ada est estruc ructur tura a cristalina.
Número de Coordinación : el numero de átomos ue tocan a otro en particular, es decir el numero de $ecinos mas cercanos, indica ue tan estrecamente están empauetados los átomos.
Parámetro de Red: &ongitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.
Estructura cristalina: &as estructuras cristalinas pueden ser con$enientemente especifcadas mediante la descripción de la disposición dentro del sólido de un peue/o grupo de átomos o molculas, llamada la celda unidad1. Multiplicando celdas unitarias idnticas en tres direcciones, se determina la ubicación de todas las part'culas en el cristal. -n la naturaleza, se encuentran 23 tipos di*erentes de estructuras cristalinas. 4ara
este in*orme, estudiaremos sólo las estructuras cristalinas en metales y aleaciones
Estructuras cristalinas en metales y aleaciones &os materiales metálicos pueden estar constituidos por elementos metálicos puros o combinaciones de ellos (aleaciones), pero tambin pueden contener peue/as proporciones de elementos no metálicos. -n general6 Son buenos conductores del calor y de la electricidad. Son opacos a la luz $isible y sus superfcies pulidas son altamente re7ectantes (brillo metálico). Son resistentes, aunue de*ormables, lo ue los con$ierte en ecelentes candidatos para las aplicaciones estructurales. lgunos de ellos tienen interesantes propiedades permanentes, n8cleos de trans*ormadores, etc.).
magnticas
(imanes
&a tendencia a la cristalización de los materiales metálicos es muy ele$ada, por lo ue en general su estructura atómica es ordenada. Solo si se someten a $elocidades de en*riamiento muy se$eras puede in$ertirse esta tendencia y obtenerse un metal amor*o.
Estructuras Típicas . !8bica centrada en caras . !8bica centrada en cuerpo . :eagonal compacta
Estructura Cúbica Centrada en Caras ó CCC ;iene los átomos situados en cada una de las esuinas y los centros de todas las caras c8bicas. !ada uno de los átomos de esuina es la esuina de otro cubo de manera ue los átomos de esuina se comparten entre oco celdas unitarias, demás, cada una de sus seis átomos de cara centrada se comparte con un átomo adyacente. !omo 2< de sus átomos se comparten, se dice ue tiene un n8mero de coordinación de 2<. &a estructura !!! se compone de un total neto de cuatro átomos= oco octa$as partes de átomos de esuinas y seis mitades de los
átomos de la cara como se muestra en la siguiente imagen.
Se tiene un *actor de empauetamiento del >3% indicando esto ue es una estructura compacta, es decir ue las es*eras ocupan el máimo $olumen posible dentro de la estructura y no se podr'an +untar mas. &a relación arista?radio a@
-+emplos6 l, !u, Ce(y), i, g, u, 4t entre otros
Estructura Cúbica Centrada en Cuerpo ó CC ;iene átomos en cada una de las oco esuinas de un cubo (como la celda unitaria c8bica), además de un átomo en el centro del cubo. !ada uno de los átomos de esuina es la esuina de otro cubo de manera ue los átomos de esuina se comparten entre oco celdas unitarias. Se dice ue tiene un n8mero de coordinación de D. &a estructura c8bica !! se compone de un total neto de dos átomos= uno en el centro y oco octa$os de átomos esuinas como se muestra en la imagen. u' el *actor de
empauetamiento atómico es in*erior ue el !!!, es del ED%, por lo ue no es compacta. Su relación arista?radio es a@3A?BF -+emplos6 Ce(G), H, !r, Mo, I, ;i(J).
Estructura Hea!onal compacta HC En la estructura "ea!onal compacta las capas alternas se desplazan, por lo ue sus átomos están alineados con los uecos de la capa precedente. &os átomos de una capa ocupan el espacio $ac'o entre los átomos de la capa adyacente al igual ue en la estructura !!!. Sin embargo, en lugar de ser una estructura c8bica, el patrón es eagonal.
-n
esta estructura el *actor de empauetamiento tambin es del >3% al igual ue en la !!!. si ue es una estructura compacta donde los átomos llenan el espacio lo máimo posible. Su n8mero de coordinación tambin es 2<. &a relación arista?radio es a@
#irección cristalo!rá$ca: -s el $ector ue une dos puntos de la red cristalina.
Procedimiento6 para determinación de los 'ndices de Miller de una dirección cristalográfca6 . ;ransladar el $ector dirección1 de manera ue pase por el origen del sistema de coordenadas. . eterminar la proyección del $ector en cada uno de los tres e+es coordenados. -sas proyecciones deben ser medidas en trminos de los parámetros de red (a,b,c) . Multiplicar o di$idir esos tres n8meros por un *actor com8n, de tal *orma tal ue los tres n8meros resultantes sean los menores enteros posibles. . Aepresentar la dirección escribiendo los tres n8meros entre corcetes6 Nu $ OP.
-s interesante la *orma de designar direcciones o planos dentro de un cristal, porue mucas de las propiedades de los materiales cristalinos dependen del plano o dirección ue se considere. 4or ello, resulta especialmente importante encontrar una *orma cómoda y rápida de identifcar las direcciones y planos cristalográfcos. &a notación empleada se denomina notación de 'ndices de Miller. ;al como se procede abitualmente en matemáticas, las componentes de cualuier $ector pueden conocerse restando las coordenadas de los puntos fnal e inicial. Si 42 @ (u2, $2, O2) es el punto de partida y 4< @ (u<, $<, O<), el punto fnal, el $ector ue $a de 42 a 4< se calculará como6
4ero *recuentemente no estaremos interesados en el módulo del $ector, sino sólo en su dirección. &a notación de Miller retiene 8nicamente este aspecto. &os
'ndices de Miller de la dirección del $ector
son los componentes de
, pero
reducidos a los enteros más peue/os posibles6 , Q y l. &a dirección se representar'a como . ótese ue los n8meros no $an separados por comas y ue los parntesis se an sustituido por corcetes. Si un n8mero es negati$o, por e+emplo, <, se representa como . aturalmente, tal y como sucede con los $ectores libres, ba+o la designación están incluidos todas las direcciones paralelas a la considerada. &a siguiente fgura muestra e+emplos de direcciones en celdillas c8bicas.
Proceso de Cristali%ación !uando se somete aleaciones y metales l'uidos a altas temperaturas, por encima del punto de *usión, sus átomos se comenzarán a agrupar al azar de modo irregular y con una ele$ada cantidad de energ'a y mo$imiento. Si se en*r'a el l'uido, se comenzará a acercar al punto de solidifcación, los átomos comenzarán a perder energ'a y su mo$ilidad dentro de la masa adoptando posiciones mas orientadas respecto a los otros, pareciendo cada $ez mas a su disposición fnal de metal sólido. Ra en la temperatura de solidifcación, estos grupos de átomos aislados, pueden aber uedado orientados y enlazados como el cristal elemental, con una estructura r'gida, &os átomos $ecinos pueden irse agregando al cristal elemental, *ormando nue$os cristales elementales unidos creando redes cristalinas en crecimiento. !uando alcanzan cierto tama/o se con$ierten en n8cleos de cristalización, y a su alrededor se seguirá te+iendo la red cristalina en la medida ue mas átomos $allan perdiendo energ'a con el en*riamiento. ado ue la *ormación de los n8cleos de cristalización puede comenzar indistintamente en cualuier parte de la masa l'uida, los cristales pueden comenzar a crecer en m8ltiples lugares simultáneamente. -n el transcurso de su crecimiento dentro de la masa l'uida, los cristales empiezan a entrar en contacto, lo ue impide la *ormación de cristales geomtricamente correctos, por consiguiente, despus de la solidifcación completa, la *orma eterior de los cristales *ormados aduiere un carácter casual. ;ales cristales se denominan granos y los cuerpos metálicos, compuestos de un gran n8mero de granos, se denominan policristalinos.
#n en*riamiento rápido conduce a la *ormación de mucos n8cleos y con ello a un tama/o del grano menor ue con lento en*riamiento.
&mper'ecciones del cristal &as estructuras cristalinas tienen de*ectos de di*erentes tipos6
() Puntuales () *ineales . &nter'aciales
Puntuales &a imper*ección puntual más simple es la $acante, ueco creado por la prdida de un átomo ue se encontraba en esa posición. &as $acantes pueden producirse durante la solidifcación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o pueden ser debidas a reordenaciones atómicas en un cristal ya *ormado como consecuencia de la mo$ilidad de los átomos.
*ineales +dislocaciones, &os de*ectos de l'nea, o dislocaciones, en sólidos cristalinos son de*ectos ue dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una l'nea. &as dislocaciones se crean durante la solidifcación de los sólidos cristalinos. ;ambin se pueden *ormar por de*ormación plástica del sólido cristalino, por condensación de $acantes y por empare+amiento atómicos incorrectos en soluciones sólidas. &os dos principales tipos de dislocaciones son el tipo de cu/a y el tipo elicoidal.
*ímites de !rano +de'ectos inter'aciales, &os l'mites de grano son de*ectos inter*aciales en materiales policristalinos, son l'mites ue separan granos o cristales de di*erentes orientaciones.
-n los metales los l'mites de grano se crean durante la solidifcación cuando los cristales se an *ormado a partir de di*erentes n8cleos ue crecen simultáneamente +untándose unos a otros. &a *orma de los l'mites de grano $iene determinada por las restricciones impuestas por el crecimiento de los granos más próimos.. -l l'mite de grano es una región estreca entre dos granos de unos dos a cinco diámetros atómicos de ancura y es una región de átomos con cierto desalineación entre granos adyacentes. -l empauetamiento atómico en los l'mites de grano es menor ue dentro de los granos debido a dico desalineación. &os l'mites de grano tienen tambin algunos granos en posiciones de tensión por lo ue aumenta la energ'a en la región del l'mite de grano.
Tama-o del !rano -l tama/o del grano de materiales policristalinos es importante porue la cantidad de superfcie del l'mite de grano tiene un e*ecto signifcati$o en mucas propiedades de los metales, espec'fcamente en la resistencia. temperaturas más ba+as (menos de aproimadamente la mitad de su temperatura de *usión) los l'mites de grano re*uerzan a los metales por restricción del mo$imiento de las dislocaciones ba+o tensión. ele$adas temperaturas puede tener lugar un desplazamiento del l'mite de grano, y los l'mites de grano pueden llegar a ser regiones de ba+a resistencia en metales policristalinos. ;odos los metales eperimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, eisten algunos aceros ue pueden alcanzar temperaturas relati$amente altas (alrededor de 2D00 C o 9D< !) con muy poco crecimiento de grano, pero con*orme aumenta la temperatura, eiste un rápido crecimiento de grano. -stos aceros se conocen como aceros de grano fno. -n un mismo acero puede producirse una gama amplia de tama/os de grano.
-isten di$ersos mtodos para determinar el tama/o de grano, como se $en en un microscopio. -l mtodo ue se eplica au' es el ue utiliza con *recuencia los *abricantes. -l tama/o de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada ba+o un aumento de 200. &a fgura es una carta ue representa el tama/o real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tama/o 200. -l tama/o de grano especifcado es por lo general, el tama/o de grano austen'tico. #n acero ue se temple apropiadamente debe eibir un grano fno. &a siguiente fgura muestra la *orma, tama/o y distribución de los cristales o granos de una microestructura de acero $ista ba+o microscopio al 200, en este caso se a recristalizado D $eces el metal pudiendose notar la $ariación del tama/o del grano.
Plasticidad #na caracter'stica de los materiales reales es su resistencia limitada. -sta propiedad *undamental, ue ace entre otras cosas ue las piezas y estructuras se rompan. -l primer rasgo importante de las teor'as de plasticidad es ue incorporan un l'mite a la capacidad resistente del material ue se puede defnir matemáticamente. -l segundo rasgo propio de la plasticidad es la caracterización de la respuesta irre$ersible, ue se obser$a, sobre todo, en los materiales d8ctiles, esto lo podemos $er en los ensayos de tracción, donde se aprecia claramente ue cuando se supera un cierto estado de carga las de*ormaciones ue se producen posteriormente no se recuperan, a pesar de ue se retiren las cargas. -ste *enómeno, conocido como 7uencia, es cla$e para dise/ar procesos de *abricación y tambin para poder $alorar la seguridad de estructuras o $e'culos en situaciones etraordinarias como impactos, terremotos, etc ;ambin eiste la de*ormación elástica el cuerpo recupera su *orma original al retirar la *uerza ue le pro$oca la de*ormación. -n este tipo de de*ormación, el solido, al $ariar su estado de tensión y aumentar su energ'a interna en *orma de energ'a potencial elástica, solo pasa por cambios termodinámicos re$ersibles.
#e'ormación por desli%amiento: Si el cristal de un metal es *orzado aplicando una *uerza o tensión más allá de su l'mite elástico, se alarga en *orma ligera y aparece un escalón sobre una determinada superfcie indicando un desplazamiento relati$o de una parte del cristal con respecto al resto. l aumentar la carga se producirá mo$imiento en otro plano paralelo y dará como resultado otro escalón. !ada alargamiento sucesi$o necesita un es*uerzo aplicado cada $ez mayor y resulta con la aparición de un escalón, ue es en realidad la intercepción de un plano de deslizamiento en superfcies del cristal. -l umento progresi$o de la carga producirá e$entualmente *ractura del material.
Mecanismo de #e'ormación por Maclado -n algunos materiales metálicos la de*ormación plástica puede ocurrir por maclado6 -n el maclado, un es*uerzo cortante produce desplazamientos atómicos de *orma tal ue en un lado de un plano (el plano de maclado), los átomos están situados como si *ueran imágenes especulares de las posiciones de los átomos del otro lado. -l maclado ocurre en planos y direcciones cristalográfcas bien defnidas, dependiendo de la estructura cristalina. -n la siguiente fgura se obser$a la de*ormación a los lados del plano de macla+e antes y despus de aplicar el es*uerzo cortante.
.ractura: -s la separación de un sólido ba+o tensión en dos o más piezas. -n general, la *ractura metálica puede clasifcarse en d8ctil y *rágil.
.ractura dúctil: &a *ractura d8ctil de un metal tiene lugar despus de una intensa de*ormación plástica. Si consideramos una probeta redonda y se aplica un es*uerzo a la probeta tal ue eceda su resistencia máima a la tensión, y se mantiene sufciente tiempo, la probeta se *racturará.
.ractura 'rá!il: &a *ractura *rágil tiene lugar sin una apreciable de*ormación y debido a una rápida propagación de una grieta. ormalmente ocurre a lo largo de planos cristalográfcos espec'fcos denominados planos de *ractura ue son perpendiculares a la tensión aplicada.
Consecuencias de la de'ormación plástica +en 'rio, . !ambio de Corma del grano . -ndurecimiento por de*ormación . umento de densidad de dislocaciones . lmacenamiento de energ'a de de*ormación . Modifcación de la conducti$idad elctrica y resistencia a la corrosión
