Estructura cristalina de los materiales

Los materiales sólidos podrían ser clasificados de acuerdo a la uniformidad en la que están dispuestos sus átomos o iones uno respecto de otro. Un material cristalino es aquél cuyos átomos están dispuestos en arreglos repetitivos y periódicos en distancias mayores a la escala atómica. Los materiales cristalinos se encuentran formados por arreglos de átomos bien definidos geométricamente y presentan pequeñas unidades de repetición que son llamadas celdas unitarias. La celda unitaria es la unidad mínima que, gracias a la suma de sus repeticiones, conforma la llamada red cristalina. La estructura cristalina está conformada por una celda más una base. La celda es un prisma que puede adoptar varias formas y la base son los átomos o conjunto de átomos que toman lugar dentro de la celda.

RED CRISTALINAS: REDES de BRAVAIS

a) Una red de Bravais es un arreglo infinito de puntos discretos con un ordenamiento y orientación, que parece exactamente la misma, desde cualquier punto de observación.

b) La red 3-D de Bravais consiste de todos los puntos con vectores posiciones de la forma:

R= n1a + n2b + n3 c

Donde:

a, b, c: vectores primitivos

n1, n2, n3:números enteros

Estructuras cristalinas en los metales

En los metales, las estructuras cristalinas presentes son de las más sencillas, como se mencionó anteriormente. Las estructuras que más comúnmente se presentan en algunos de los metales son del tipo cúbico. En el sistema cúbico se tienen tres tipos de celdas, que son los siguientes:

Cúbica simple: En esta estructura sólo se presentan átomos en los vértices del cubo (nunca presente en metales. Este tipo de estructura es más característico de los cerámicos).

Cúbica centrada en el cuerpo: En esta estructura se presentan los átomos en cada uno de los vértices de la estructura más un átomo en el centro del cubo. En ingeniería de materiales este tipo se celdas se abrevia como BCC (por sus siglas en inglés body center cubic).

Cúbica centrada en las caras: En este tipo de estructuras los átomos se localizan en cada uno de los vértices del cubo más un átomo en cada una de las caras del cubo. La abreviatura para esta celda es FCC (por sus siglas en inglés face center cubic).

Cúbica simple (cerámicos)

Cúbica centrada en el cuerpo

Cúbica centrada en el las caras (Cu, Al, Ag y Au)

REDES de BRAVAIS en 3-D

Existen 14 formas de ordenar puntos en el espacio 3-D, manteniendo las mismas relaciones entre éstos sistemas de Bravais

Teniendo en cuenta que tenemos como ángulos de referencia

Monocristal: Un monocristal tiene lugar cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta; es decir, sin interrupciones ni irregularidades a lo largo de toda la muestra y sobre todo el conjunto de celdas unitarias que forman el cristal presentan la misma orientación o dirección.

Policristales: La mayoría de los sólidos cristalinos pertenecen a esta categoría. En este caso los policristales, como su nombre lo indica, están formados por varios cristales o granos. Los granos tienen la característica de encontrarse perfectamente delimitados por el cambio de orientaciones entre uno y otro grano. A esa delimitación se le conoce como límite de grano.

Anisotropía: El término anisotropía se refiere a la variación de las propiedades (mecánicas, eléctricas, ópticas, magnéticas, etc.) en función de la dirección en la que son medidas. Los materiales en sí son anisotrópicos por naturaleza, ya que si medimos alguna de las propiedades arriba mencionadas a través de dos direcciones cristalográficas no equivalentes (por ejemplo en la [111] y la [100]) de una celda BCC, la respuesta del material no es igual en ambas direcciones. El motivo es la interacción (fuerzas de atracción y repulsión) de los átomos involucrados en dichas direcciones. Éste es el caso más sencillo de anisotropía; sin embargo, recordemos que los materiales están formados por varios cristales o granos que van a presentar distintas orientaciones cristalinas. Al tener esa variación de orientaciones, las propiedades del sólido cristalino no tendrán los mismos valores al ser medidas en direcciones diferentes.

Imperfecciones en los sólidos

Los defectos cristalinos o imperfecciones en los sólidos son las fallas o interrupciones en la disposición del acomodo atómico de los sólidos. En otras palabras, la red cristalina se ve afectada por defectos de tipo puntual, línea o área. A continuación se describirá cada uno de los tipos de defectos.

Defectos puntuales

Dentro de los defectos puntuales tenemos a las vacancias, los intersticios y los defectos sustitucionales.

Vacancia: Este defecto puntual se refiere a la ausencia de un átomo en la red; por lo tanto, existe una vacante en ese sitio donde se esperaba la presencia de un átomo con las mismas características de los átomos vecinos.

Donde:

Nv= el número de equilibrio de las vacancias

N= es el número total de sitios atómicos

Qv= es la energía requerida para la formación de vacancias

T= es la temperatura en grados Kelvin

K= es la constante del Boltzmann 1.38x10-23 J/atomo-K o 8.62x10-5 eV/atomo-K

Intersticio:

Este defecto ocurre cuando en la red cristalina aparece un átomo extra en la red. Ese átomo puede modificar sustancialmente la posición de sus vecinos en la red.

Sustitución:

El defecto sustitucional ocurre, como su nombre lo indica, cuando un átomo en el arreglo cristalino es remplazado por un átomo perteneciente a otro elemento.

Dentro de los defectos de línea tenemos clasificadas a las dislocaciones. Principalmente podemos hablar de tres tipos de dislocaciones. Las de borde, las de tornillo y las mixtas. En breve describiremos las principales características de estas dislocaciones.

Dislocaciones de borde

La dislocación de borde ocurre cuando un conjunto de átomos es dispuesto en forma de cuña respecto al resto de la red. Esto causa la deformación a lo largo de una línea.

Dislocaciones de tornillo

Las dislocaciones de tornillo surgen cuando la red cristalina sufre un pequeño desplazamiento entre planos en una dirección determinada. Este pequeño desplazamiento da lugar a un borde sobresaliente de la red ocasionando una imperfección a lo largo de una línea.

Dislocaciones mixtas

Son aquéllas donde podemos localizar, en la misma red, las dislocaciones de borde y de tornillo. En algunas ocasiones, las podemos apreciar de forma independiente y en otras podemos apreciarlas de manera combinada.

Los defectos de superficie o también llamados interfaciales se forman por el cambio de orientación cristalina; es decir, son los límites de grano, macla, fase que separan a dos o más regiones del material con diferente estructura cristalina u orientación cristalográfica. La clasificación de estos defectos se presenta de la manera siguiente:

Superficies externas

Los defectos de superficie externa son los más evidentes y se localizan en la superficie del material. Aquí los átomos superficiales no están enlazados con el máximo número de átomos vecinos.

Límites de grano

Este defecto se localiza, como su nombre lo indica, en los límites de grano. Este defecto rompe la uniformidad de la orientación cristalográfica del conjunto de celdas unitarias y beneficia la difusividad, reactividad química.

Límites de macla

Una macla es un defecto cristalino superficial que se caracteriza por presentar estructuras cristalinas con simetría tipo espejo. El plano que divide a ese conjunto de celdas simétricas es llamado plano de la macla o límite de macla.

Defectos de apilamiento

Los defectos de apilamiento se observan en el acomodo atómico en la formación de estructuras más complejas. Si la secuencia de apilamiento cambia, entonces surge un defecto de apilamiento. Límites de fase Los defectos de fase ocurren cuando un material está conformado por más de una fase. Si se da un cambio abrupto en la distribución de las fases en el material, entonces se origina un límite de fase.

Fuentes de información

http://materias.fi.uba.ar/6210/Cristales.pdf

http://www.labconvergencia.org:16080/sitio1/mel/HTML_materias_en_linea/ing_materiales/HTML/Lecturas/lectura_U2.pdf

http://info.fisica.uson.mx/rodrigo.rosas/cursos/FisicaModernaII/soli dos.pdf