Fundamentos de la Cristalografía y Estructura de Materiales

Cristalografía: La Estructura de la Materia

La materia cristalina se considera un medio homogéneo, anisotrópico y simétrico. Los sólidos cristalinos tienden a adoptar estructuras internas geométricas basadas en líneas rectas y planos paralelos. Estos están formados por una jerarquía de componentes:

• Átomos: Forman moléculas.
• Moléculas: Se agrupan para formar celdas unitarias.
• Celdas unitarias: En conjunto, forman el cristal.

Tipos de Cristal

Monocristal

Se define como un cristal único y es anisotrópico, es decir, sus propiedades físicas y mecánicas cambian según la dirección en que se miden.

Policristal

Es un agregado de pequeños cristales (llamados granos) de cualquier sustancia, generalmente con forma irregular. Muchos materiales de origen tanto natural (minerales, metales) como sintético (aleaciones, cerámicas, etc.) son policristales. Sus propiedades están condicionadas por factores como el tamaño de grano, la orientación cristalográfica de los granos y la estructura del borde de grano. Por ello, un policristal puede ser anisotrópico (si los granos tienen una orientación preferente o texturizada) o isotrópico (si los granos están orientados completamente al azar).

Polimorfismo

Es la capacidad de un elemento o compuesto químico para cristalizar en más de una estructura distinta. La forma adoptada depende de las condiciones de presión y temperatura durante su formación.

Anisotropía e Isotropía

Una sustancia es isótropa respecto a una propiedad si la descripción de dicha propiedad es independiente de la orientación. Por el contrario, es anisotrópica si sus propiedades varían según la dirección en que se miden.

Redes de Bravais

Una red de Bravais es una disposición infinita de puntos discretos en el espacio con una apariencia y orientación idénticas desde cualquier punto de la red. Esto significa que todos los puntos de la red son equivalentes. Estas redes se definen por un conjunto de traslaciones que describen la periodicidad del cristal.

Geometría y Sistemas Cristalinos

La geometría de las redes de Bravais se estudia a través de la teoría de grupos, una estructura algebraica que permite clasificar los cristales en diferentes sistemas y grupos espaciales según sus simetrías. Sus objetivos incluyen la clasificación sistemática de las estructuras cristalinas, el estudio de sus propiedades y sus aplicaciones.

Estructuras Cristalinas Comunes

Las celdas unitarias más comunes en los metales son:

• Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Uno de sus átomos se encuentra en el centro de la celda unitaria cúbica, equidistante de los ocho átomos situados en las esquinas.
• Cúbica Centrada en las Caras (FCC): En esta estructura, los átomos están situados en los vértices de la celda unitaria y en el centro de cada una de sus seis caras.
• Hexagonal Compacta (HCP): La celda unitaria consta de tres capas de átomos. Las capas superior e inferior contienen seis átomos en las esquinas de un hexágono y un átomo en el centro. La capa intermedia contiene tres átomos ubicados entre las capas superior e inferior. A diferencia de la FCC y la BCC, la estructura HCP no es una red de Bravais por sí misma, ya que contiene dos conjuntos de puntos no equivalentes.

Imperfecciones Cristalinas o Defectos

Son interrupciones en la periodicidad de la red cristalina y tienen una profunda influencia en las propiedades de los materiales.

Defectos Puntuales (Dimensión 0)

• Vacancias: Es un sitio atómico vacío en la red, originado por la ausencia de un átomo.
• Átomos Intersticiales: Se forman cuando un átomo (generalmente pequeño) se inserta en una posición normalmente desocupada dentro de la red cristalina.
• Átomos Sustitucionales: Ocurren cuando un átomo de un elemento diferente reemplaza a un átomo original en la red. Esto puede provocar distorsiones locales si los radios atómicos son diferentes.
• Defecto de Frenkel: Es un par vacancia-intersticial. Un átomo se desplaza de su posición en la red a un sitio intersticial cercano.
• Defecto de Schottky: Es un par de vacancias de iones con carga opuesta en un cristal iónico para mantener la neutralidad eléctrica.

Defectos Lineales y Superficiales

Dislocaciones (Defectos Lineales)

Son irregularidades en la estructura cristalina que se extienden a lo largo de una línea. Ocurren mayoritariamente durante la deformación plástica (permanente) e influyen de manera crucial en las propiedades mecánicas del material.

• Dislocación de Borde (o de arista): Se puede visualizar como la inserción de un semiplano extra de átomos en la red cristalina. Es el resultado del deslizamiento de planos cristalinos por la acción de una fuerza.
• Dislocación Helicoidal (o de tornillo): Se forma al aplicar un esfuerzo cizallante, generando una distorsión en espiral alrededor de la línea de dislocación.

Defectos de Volumen (Dimensión 3)

Son defectos que se propagan en tres dimensiones, provocando una gran alteración en la red. Ejemplos incluyen poros, grietas o inclusiones de otras fases.

Tratamientos Térmicos

El objetivo de un tratamiento térmico es mejorar o modificar las propiedades de los metales para adaptarlos a necesidades específicas, a menudo controlando la microestructura y los defectos.

Fórmulas Clave: Regla de la Palanca

Estas fórmulas se utilizan comúnmente en diagramas de fases para determinar la proporción de cada fase presente en una aleación a una temperatura dada (donde C₀ es la composición global, y C_L y C_α son las composiciones de las fases líquida y alfa, respectivamente).

Cálculo de Porcentaje de Fases (%)

• Fase α (%): W_α = (C_L - C₀) / (C_L - C_α) × 100
• Fase Líquida (%): W_L = (C₀ - C_α) / (C_L - C_α) × 100

Cálculo de Peso de Fases (gr)

• Peso de la fase α (P_α): P_total × (W_α / 100)
• Peso de la fase Líquida (P_L): P_total × (W_L / 100)