Ciencias De Los Materiales

CAPÍTULO 3: Estructuras cristalinas y amorfas en los materiales

Los sólidos pueden clasificarse en dos amplias categorías: cristalinos y amorfos. Los sólidoscristalinos, debido a la estructura ordenada de sus átomos, moléculas o iones tienen formas biendefinidas. Los metales son cristalinos y están compuestos por cristales o granos bien definidos.En los minerales, principalmente de naturaleza translúcida a transparente, las formas cristalinasbien definidas se pueden observar con claridad.

3.1 LAS REDES ESPACIALES Y LA CELDA UNITARIA

La estructura física de los materiales sólidos de importancia en ingeniería depende

Principalmente del ordenamiento de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido, y delas fuerzas de enlace entre ellos.Si los átomos o iones de un sólido están ordenados de acuerdocon un patrón que se repite en el espacio, forman un sólido que tiene un orden de largo alcance(OLA) al cual se le llama sólido cristalinoo material cristalino.Ejemplos de materiales cristalinosson los metales, las aleaciones y algunos materiales cerámicos.Estosignifica que el orden existe únicamente en la vecindad inmediata de un átomo o molécula.Sinembargo, este orden desaparece en la medida en que cada molécula se une a otras moléculasen forma aleatoria a través de enlaces secundarios débiles. Los materiales que presentansolamente un orden de corto alcance se clasifica como amorfos (sin forma) o no cristalinos.

3.2 SISTEMAS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS

Los cristalógrafos han demostrado que tan sólo senecesitan siete tipos diferentes de celdas unitarias para crear todas las redes.Muchos de los siete sistemas cristalinos tienen variaciones de la celda unitaria básica. A. J.Bravais1 demostró que con 14 celdas unitarias estándar se pueden describir todas las redesposibles.En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unitarias: cúbica sencilla, cúbica centrada en elcuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema ortorrómbico se encuentran los cuatro tipos.En el sistema tetragonal existen sólo dos: simple y centrado en el cuerpo.

3.3 PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS

La mayoría de los metales puros (aproximadamente 90%) cristalizan al solidificar en tresestructuras cristalinas compactas: cúbica centrada en el cuerpo (BBC) (figura 3. 3a), cúbicacentrada en las caras (FCC)(figura 3. 3b) y hexagonal compacta (HCP)(figura 3. 3c). Laestructura HCP es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal simplemostrada en la figura 3. 2. La mayoría de los metales cristalizan en estas estructuras empacadasdensamente porque la energía disminuye a medida que los átomos se acercan y se enlazan entresí.

Principales celdas unitarias en las estructuras cristalinas de los metales: a) cúbica centradaen el cuerpo, b) cúbica centrada en las caras y c) hexagonal compacta.

La arista del cubo de la celda unitaria delhierro cúbico centrado en el cuerpo, por ejemplo, a temperatura ambiente es igual a 0.287 × 10−9m, o 0.287 nanómetros (nm).

Examinemos ahora a detalle la disposición de los átomos en las celdas unitarias de las tresprincipales estructuras cristalinas metálicas.

En las estructuras cristalinas puede determinarseexperimentalmente por análisis de difracción de rayos X. Por ejemplo, la distancia interatómicaentre dos átomos de aluminio en un trozo de aluminio puro a 20°C es de 0.2862 nm.

3.3.2 Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC)

En esta celda unitaria hay un átomo en cada vértice del cubo y uno en el centro de cadacara. El modelo de esferas rígidasindica que los átomos de la estructuracristalina FCC están empacados tan juntos cómo es posible. El factor de empaquetamientopara esta estructura compacta es de 0.74, que comparado con 0.68 de la estructura BCC,indica que esta última no es compacta.

Los ocho octavos de los vértices cuentan como un átomo (8 × 1/8= 1), y los seis medios átomos que están sobre las caras del cubo contribuyen con otros tres átomos, que dan un total de cuatro átomos por celda unitaria.

El APF para la estructura cristalina FCC es de 0.74, que es mayor que el factor 0.68 de laestructura BCC. Un APF de 0.74 es el máximo de compacto posible para “átomos esféricos”.Muchos metales como el aluminio, cobre, plomo, níquel y hierro a temperatura elevada (de 912a 1 394°C) cristalizan con la estructura FCC.

3.3.3 Estructura cristalina hexagonal compacta (HCP)

La tercera estructura cristalina más común en los metales es la estructura HCP presentada enlas figuras 3. 8a y b.Los átomos pueden alcanzaruna menor energía y una condición más estable formando la estructura HCP de la figura 3.8b.El APF de la estructura cristalina HCP es de 0.74, el mismo que el de la estructura FCC, ya queen ambas estructuras los átomos están empacados lo más juntos posible. En ambasestructuras, HCP y FCC, cada átomo está rodeado de 12 átomos, por tanto, cada átomo tieneun número de coordinación de 12.

Estructura cristalina HCP: a) esquema de la estructura cristalina, b) modelo de esfera duray c) esquema de celda unitaria aislada[b) y c) Según F. M. Miller, “Chemistry, Structure and Dynamics”, McGraw-Hill, 1984, p. 296.]

3.4 POSICIONES DEL ÁTOMO EN CELDAS UNITARIAS CÚBICAS

Para situar las posiciones atómicas en las celdas unitarias cúbicas se utilizan los ejes cartesianosx, y,z. En cristalografía, la zona positiva del eje x es generalmente la situada hacia afuera delpapel, la zona positiva del eje y es la situada hacia la derecha del papel, y la zona positiva del ejez es la situada hacia arriba del papel. Las zonas negativas son las opuestas a lasque se han descrito.

Las posiciones de los átomos en la celda unitaria se localizan mediante distancias unitarias a lolargo de los ejes x, y,z. Por ejemplo, las coordenadas deposición para los átomos en la celda unitaria BCC.

Las posiciones atómicas restantes de la celda unitaria BCC se consideransobreentendidas.

3.5 DIRECCIONES EN LAS CELDAS UNITARIAS CÚBICAS

Esto es deespecial importancia para los metales y las aleaciones con propiedades que varían con laorientación cristalográfica. Para los cristales cúbicos los índices de lasdireccionescristalográficas son

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