Estructura Cristalina y Solidificación de Metales: Propiedades y Selección

El Enlace Metálico y la Estructura Cristalina

Enlace Metálico

En el enlace metálico, la mayoría de los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo tienden a abandonar los átomos y a formar una nube de electrones que es compartida por toda la red cristalina del metal. Esta nube facilita el movimiento de electrones en los metales y, por tanto, la transmisión de energía eléctrica y térmica.

Factor de Empaquetamiento Atómico (FEA)

El Factor de Empaquetamiento Atómico (FEA) de una red cristalina es el cociente entre el volumen que ocupan sus átomos y el volumen total de la celda. Su valor es siempre menor que 1.

Estructura Cristalina de los Metales

Es el tipo de estructura ordenada que forman los átomos de los metales y otros materiales al solidificarse. Existen varias redes cristalinas, siendo las más comunes la Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC), la Cúbica Centrada en las Caras (FCC) y la Hexagonal Compacta (HCP).

Proceso de Solidificación de los Metales

La solidificación ocurre en dos fases principales:

Fase 1: Nucleación

Cuando un metal está fundido, sus átomos están en constante movimiento (vibran) debido a la energía térmica que poseen. A medida que la temperatura disminuye, este movimiento se reduce hasta que los primeros átomos comienzan a ordenarse. Alrededor de estos se forman los primeros cristales, denominados núcleos, a partir de los cuales crecerá la estructura sólida.

Fase 2: Crecimiento de Cristales

Después de que los núcleos se han formado, el siguiente paso es su crecimiento hasta convertirse en cristales completos. En cada cristal, los átomos se disponen en una ordenación regular según su red cristalina específica (BCC, FCC, HCP, etc.). Cuando la solidificación del metal se completa, se forman fronteras entre los cristales que han crecido a partir de diferentes núcleos.

Influencia de la Velocidad de Enfriamiento en los Granos del Metal

Los cristales que componen el metal solidificado se denominan granos. Su tamaño depende directamente de la velocidad de enfriamiento.

Enfriamiento Lento

A medida que se extrae calor lentamente, los átomos tienen tiempo para unirse a los núcleos iniciales, haciendo que los cristales crezcan considerablemente. Aunque se formarán nuevos núcleos, la mayoría de los átomos contribuirá al crecimiento de los ya existentes. Cuando toda la masa está en estado sólido, el resultado es una estructura con unos pocos granos de gran tamaño.

Enfriamiento Rápido

Con una velocidad de enfriamiento alta, los átomos no tienen tiempo de moverse por la masa líquida para unirse a los núcleos iniciales. En su lugar, ellos mismos forman muchos núcleos nuevos. Estos núcleos, al crecer, encuentran rápidamente la frontera del cristal vecino. El resultado es que el metal solidificado está formado por muchos granos pequeños. Un metal con granos pequeños generalmente presenta mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, un enfriamiento demasiado rápido puede provocar la aparición de fisuras y grietas internas en las fronteras de los granos, fragilizando el material.

Obtención de un Grano Fino y sin Fisuras

Para obtener un material con grano fino y sin defectos, se emplean técnicas de enfriamiento controlado, como agitar bruscamente la masa fundida mientras se solidifica para promover la formación de múltiples núcleos.

Criterios para la Selección Adecuada de Materiales

La elección de un material para una aplicación específica debe considerar varios factores clave:

• Propiedades del material: Es fundamental tener un profundo conocimiento sobre las propiedades de los distintos materiales disponibles. Además, se debe tener en cuenta el uso final o el público al que va dirigido el objeto.
• Tipos de esfuerzos: Se debe analizar a qué tipos de esfuerzos físicos (tracción, compresión, torsión, etc.) estará sometido el producto, suponiendo siempre las condiciones más desfavorables. Una misma pieza puede estar sometida a varios tipos de esfuerzos simultáneamente.
• Diseño de la pieza: La forma y geometría del objeto influyen directamente en su resistencia. Con la misma cantidad de material, un diseño optimizado puede resistir cargas mucho mayores.