Estructura Cristalina de los Metales y Aleaciones: Defectos e Intersticios

Estructura Cristalina de los Metales y Aleaciones

Red Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

Los átomos ocupan los vértices del cubo y el centro del cubo, siendo tangentes a lo largo de las diagonales del cubo. Cada átomo de los vértices lo comparten 8 celdillas y 8 vértices, luego hay 2 átomos por celdilla.

Índice de coordinación: es el número de átomos más próximos y equidistantes que rodean a cada átomo de la red. Para la red BCC es 8.

Número de átomos por celdilla: 2

Metales que cristalizan en este tipo: Li, Na, K, Ba.

Factor de empaquetamiento atómico: Fracción del espacio ocupado por sus átomos. Se calcula dividiendo el volumen que ocupan los átomos entre el volumen de la celda unidad. Es un indicador de la compacidad de la red cristalina.

Red Hexagonal Compacta (HCP)

Los átomos ocupan los vértices de un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos en que se puede descomponer el prisma.

Índice de coordinación: 12 (tomando como átomo central el de la base)

Número de átomos por celdilla: 6

Metales que cristalizan en este tipo: Be, Mg, Zn, Ti, Co, Zr, Cd.

Factor de empaquetamiento atómico: El máximo empaquetamiento se consigue con a=2R.

Intersticios Cristalinos

Son los huecos que quedan entre los átomos. Pueden ser de dos tipos:

• Octaédricos: Rodeados por 6 átomos.
• Tetraédricos: Rodeados por 4 átomos.

Polimorfismo o Alotropía

Alotropía: Cuando los metales presentan diversas estructuras cristalinas bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.

En el caso de compuestos químicos, la alotropía se denomina polimorfismo.

Muchos metales de importancia industrial, como el hierro, titanio, cobalto… presentan transformaciones alotrópicas a elevada temperatura a presión atmosférica.

Defectos en la Estructura Cristalina

Defectos Térmicos

A temperaturas diferentes del cero absoluto los átomos tienen un movimiento de vibración, tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura. La dilatación térmica de los sólidos cristalinos es una consecuencia de este fenómeno.

Defectos Electrónicos

Al añadir a una estructura cristalina átomos de valencia diferente (impurezas) se produce una alteración en la nube de electrones libres.

Los materiales semiconductores son estructuras cristalinas de silicio o de germanio a las que se añaden:

• Impurezas de tipo p (materiales de valencia menor, como por ejemplo boro o galio) con lo que se crean zonas deficitarias de electrones (carga positiva).
• Impurezas de tipo n (materiales con una valencia superior, como por ejemplo fósforo o arsénico), originándose zonas ricas en electrones (carga negativa).

El dispositivo semiconductor más sencillo es el diodo, formado por la unión de una zona dopada con impurezas de tipo p y otra de tipo n.

Defectos Atómicos

Son los más importantes desde el punto de vista metalúrgico y consisten en alteraciones en la ordenación espacial de una estructura cristalina. Pueden ser de tipo puntual, lineal o superficial.

Defectos Atómicos Puntuales

• Átomos Intersticiales: Son átomos situados en un punto que no pertenece a la red (un hueco).
• Lugares Vacantes o Lagunas: Son puntos de la red vacíos, en los que no se encuentra átomo alguno.
• Átomos Extraños: Son átomos diferentes de los que forman la red cristalina, que se sitúan tanto en puntos reticulares como en huecos.

Al aumentar la temperatura de un sólido cristalino se incrementa su agitación térmica y la concentración de átomos intersticiales y de lagunas se hace mayor.

Difusión: Las imperfecciones son las causantes de los efectos de difusión en los sólidos cristalinos, ya que su presencia facilita los movimientos de los átomos en el interior del material. Este movimiento regula un gran número de procesos metalúrgicos, entre los que se encuentran los tratamientos térmicos o superficiales aplicados a metales. Al aumentar la temperatura e incrementarse la agitación térmica de los átomos, la difusión se produce más fácilmente. La difusión también se ve favorecida con la presencia de lugares vacantes.

Los átomos intersticiales de una red cristalina también se mueven a lo largo de la estructura ocupando los huecos existentes en ella. En este caso el tamaño de los átomos que se difunden debe ser pequeño en comparación con el de los átomos de la red original; así, el carbono puede difundirse intersticialmente en el hierro.

Defectos Atómicos Lineales: Dislocaciones

Dan lugar a una distorsión de la red cristalina en torno a una línea. Pueden ser de dos tipos:

• En cuña, que se puede considerar como un semiplano «extra» en la red cristalina.
• En hélice, en la que los planos perpendiculares al defecto lineal se enrollan a su alrededor.

Defectos Atómicos Superficiales

Los defectos superficiales tienen una profundidad pequeña, mientras que su anchura y longitud pueden ser mayores. Los más importantes son los límites de grano.

La estructura de la mayor parte de los metales utilizados con fines industriales está constituida por múltiples zonas ordenadas, pero sin que las direcciones de sus ejes cristalográficos coincidan. Estas zonas se denominan granos y la zona límite entre granos se conoce con el nombre de junta de grano.

La existencia de granos dentro de un metal, su formación, se debe al proceso de solidificación. Cuando se enfría un metal en estado líquido llega un momento en que los átomos empiezan a ordenarse en el espacio. La cristalización se produce a la vez en varios puntos. De ahí que una vez concluida, existan granos separados por juntas de grano.

La microestructura de los materiales y de las aleaciones metálicas depende fundamentalmente de tres factores:

• Tamaño de grano: En los metales el tamaño de grano es de suma importancia, ya que las juntas de grano consiguen un efecto endurecedor al restringir el movimiento de las dislocaciones y, por tanto, cuanto menor sea el tamaño de grano mayor será la resistencia del material.
• Forma de los granos: No existe ninguna que predomine sobre las demás; aunque si, por ejemplo, el material se ha deformado en frío (laminación), los granos pueden ser alargados.
• Orientación de los granos: Suele ser aleatoria, originándose así materiales isótropos (con las mismas propiedades en todas direcciones). Debido a procesos de deformación plástica (laminación, estirado, extrusión...) se produce una orientación preferente en los granos, que da lugar en algunos casos a un material anisótropo.

Soluciones Sólidas

Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura o casi pura, pues la mayoría de ellos se mezclan con otros metales o no metales para conseguir materiales, llamados aleaciones, de mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión u otras propiedades.

Aleación metálica es una mezcla de dos o más metales o de un algún metal y uno o varios no metales. Toda aleación debe cumplir dos condiciones:

• Los elementos que se mezclan deben ser totalmente miscibles en estado líquido, para que al solidificar se origine un producto homogéneo.
• El producto obtenido debe poseer carácter metálico.

Disolvente: es el que interviene en mayor proporción, si los elementos tienen la misma red y el que la conserva en la aleación, aunque su proporción sea menor.

Soluto: es el que lo hace en proporción menor y no conserva su red en caso de que sea distinta.