Principios de Cristalografía y Defectos en Materiales Metálicos

Fundamentos de Estructuras Cristalinas

Tipos de Redes Cristalinas Comunes

• Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Los átomos ocupan los vértices y el centro de la celdilla.
• Cúbica Centrada en las Caras (FCC): Los átomos ocupan los vértices y el centro de cada cara.
• Hexagonal Compacta (HCP): Los átomos ocupan los vértices de un prisma regular, los centros de las bases y los centros de triángulos alternativos.

Conceptos Clave en Cristalografía

Celdilla

Unidad en la que los átomos se distribuyen de forma ordenada y cuya unión forma un material determinado.

Factor de Empaquetamiento

Relación entre el volumen que ocupan los átomos de una celdilla y el volumen total de esta.

Índice de Coordinación

Número de iones de signo contrario que rodean a un ión dado en una estructura cristalina.

Isotropía

Propiedad de los materiales con ordenación interna, es decir, materiales cristalinos. Su valor no depende de la dirección de medida.

Anisotropía

Propiedad de los materiales que no tienen ordenación interna en su estructura, es decir, materiales amorfos. Su valor depende de la dirección de medida.

Polimorfismo

Capacidad de una sustancia de cristalizar en más de una forma cristalina.

Alotropía

Capacidad de una sustancia (solo elementos) de cristalizar en más de una forma cristalina.

Isomorfismo

Dos sustancias diferentes que cristalizan en la misma celdilla con parámetros cristalográficos similares.

Defectos en Materiales y Estructuras Defectivas

Defectos Puntuales

Defectos de Frenkel

Un átomo que ocupa un nodo pasa a ocupar un intersticio próximo, como consecuencia de una alta energía.

Solución Sólida

Disolución en estado sólido de una fase mineral en otra. Se origina como consecuencia de la variabilidad química en los minerales debido a la existencia de defectos puntuales. Pueden producirse por los siguientes mecanismos:

• Sustitución: Consiste en la sustitución de un ión por otro en la misma posición atómica de la estructura cristalina. La valencia de los iones que se sustituyen debe ser igual.
• Omisión: Existencia de una vacante como consecuencia de la ausencia de un ión en la estructura.
• Intersticial: Presencia de un ión en un hueco estructural.

Defectos Lineales

Dislocaciones

Defecto por el cual el material se deforma o rompe con menores valores de esfuerzo.

Defectos Volumétricos e Inclusiones

Inclusiones

Son partículas extrañas presentes en el material, que son de las fases que lo componen; se originan como impurezas. Ejemplo: en un acero encontramos FeO, FeS.

Insolubilidad

Algunas veces, los casos de insolubilidad tienen utilidad práctica, ya que las inclusiones resultantes pueden mejorar las propiedades del compuesto.

Estructuras Defectivas

Las encontramos tanto en aleaciones como en materiales, cuando en una estructura cristalina hay posiciones que debería ocupar un átomo y no lo está (posiciones vacías).

Aleaciones y Fases en Materiales

Aleación

Elemento formado por un metal unido a otro elemento, de manera que el conjunto tiene en estado sólido las propiedades de los metales.

Disolución Sólida Ordenada (Superredes)

Es una solución sólida por sustitución que se lleva a cabo de manera ordenada, es decir, cada átomo ocupa una posición definida en la red. Las condiciones necesarias para su formación son: tener una aleación a temperatura muy alta, con un enfriamiento muy lento hasta temperatura ambiente. Así conseguimos una superred, donde un átomo de un elemento sustituye a otro en posiciones específicas.

Aceros Rápidos

Se utilizan para la construcción de herramientas o útiles de corte, ya que cortan a una alta velocidad y sin sufrir cambios notables. Composición típica: Fe, C, Co, W.

Fase y Constituyente

Fase

Cualquier parte del sistema que estudiemos que sea homogénea desde un punto de vista físico.

Es importante distinguir entre: Fase (estado en el que se encuentra el sistema) y Constituyente (partes distinguibles en la superficie pulida de una aleación).

Tipos de Fases

• Disoluciones Sólidas (por sustitución, de inserción o intersticiales)
• Compuestos Intermetálicos (fases intermedias, disoluciones sólidas intermedias)