Fundamentos de la Estructura Cristalina y Solidificación de Metales

Estructura interna de los materiales

Los átomos de los materiales no están colocados al azar, sino organizados en estructuras repetitivas. En los metales, este orden se denomina estructura cristalina. La forma más simple de estructura cristalina es la red cristalina.

En 1848, el físico francés Auguste Bravais demostró que existen 14 tipos de redes cristalinas simples. Aproximadamente el 90% de los metales y sus aleaciones cristalizan en tres redes principales:

• BCC (Cúbica centrada en el cuerpo): Átomo en los vértices de la red cúbica y otro en el centro.
• FCC (Cúbica centrada en las caras): Átomo en los vértices de la red cúbica y otro en el centro de cada cara.
• HCP (Hexagonal compacta): Átomo en los vértices, tres en el centro, uno en la cara superior y otro en la inferior.

Solidificación de materiales

Cuando un metal puro fundido se enfría de forma gradual, llega a una temperatura llamada temperatura de equilibrio, en la que cambia de líquido a sólido manteniendo la temperatura constante. La energía necesaria para que ocurra este cambio se denomina calor latente.

Durante la solidificación ocurren dos fases:

• Nucleación: Los átomos comienzan a unirse formando redes cristalinas. Este proceso suele iniciarse alrededor de impurezas o en las paredes del molde sólido, donde se forman pequeños núcleos de cristal.
• Crecimiento: Los núcleos aumentan de tamaño a medida que más átomos se unen a ellos.

Cabe destacar que, si el enfriamiento es muy lento, se forman pocos núcleos pero crecen mucho, resultando en granos grandes. Por el contrario, si el enfriamiento es rápido, se forman muchos núcleos y aparecen granos pequeños.

Constituyentes de los aceros

Los metales puros son difíciles de obtener y costosos; además, sus propiedades mecánicas suelen ser bajas, por lo que se mezclan con otros materiales formando aleaciones. El acero es una aleación de hierro y carbono (aproximadamente 99% de hierro y 1% de carbono), y sus propiedades dependen de la cantidad de carbono y de la velocidad de enfriamiento.

Los constituyentes del acero a temperatura ambiente son:

• Cementita: Es la más dura y frágil.
• Martensita: Muy dura, aparece con un enfriamiento muy rápido.
• Bainita: Posee una dureza media.
• Perlita: Es más blanda y aparece con enfriamiento lento.
• Ferrita: Aumenta su presencia cuando hay menor contenido de carbono.

También existe la austenita, que aparece cuando el acero está a temperaturas superiores a unos 723 °C y, al enfriarse, se transforma en otros constituyentes según la velocidad de enfriamiento.