Estructura cristalina de los materiales

Enrique Guadalupe García Rios David Alejandro Cruz BautistaAlan Alejandro Ramírez

Los cristales, átomos, iones o moléculas se empaquetan y dan lugar a motivos que se repiten del orden de 1 Ángstrom = 10-8 cm; a esta repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por translación ordenada, genera toda la red (todo el cristal) y la denominamos unidad elemental o celda unidad.

Estructura

La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite enlas tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Silos átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia deordenamiento, estaríamos ante unmaterial no cristalino ó amorfo.

Arreglo cristalino y no cristalino

Un diamante es un cristal transparente de átomos de carbono enlazados tetraedralmente (sp3) que cristaliza en la red de diamante, que es una variación de la estructura cúbica centrada en la cara. Los diamantes se han adaptado para muchos usos, debido a las excepcionales características físicas. Las más notables son su dureza extrema y su conductividad térmica.

El Diamante

El uso industrial de los diamantes ha sido asociado históricamente con su dureza; esta propiedad hace al diamante el material ideal para herramientas de cortado y pulido. Como material natural más duro conocido, el diamante puede ser usado para pulir, cortar, o erosionar cualquier material, incluyendo otros diamantes. El diamante no es apto para maquinarias de aleaciones ferrosas a altas velocidades, puesto que el carbono es soluble en hierro a las altas temperaturas creadas por la maquinaria de alta velocidad, conduciendo a un desgaste incrementado en las herramientas de diamante cuando se las compara con alternativas.

El Diamante

1.2 -IMPERFECCIONES EN LAS REDES CRISTALINAS:

Defectos puntuales: Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento durante el procesamiento del material mediante la introducción de impurezas o intencionalmente a través de las aleaciones.

•Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o como consecuencia de daños por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero éstas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura.

Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, aunque mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, aún así son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada.

Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. En cualquier caso, el defecto sustitucional distorsiona la red circundante. Igualmente, se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un elemento aleante agregado deliberadamente y, una vez introducido, el número de defectos es relativamente independientede la temperatura.

Defectos Lineales ( Dislocaciones):

Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el

proceso de solidificación del material o al deformarlo. Aunque en todos los materiales hay dislocaciones presentes, incluyendo los materiales

cerámicos y los polímeros, son de particular utilidad para explicar la deformación y el endurecimiento de los metales. Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación de borde.

 

DifusiónFenómenos de transporte por movimiento atómicoLa mayor parte de los procesos y reacciones másimportantes del tratamiento de materiales se basa en la

transferencia de masaMecanismos de difusiónEn materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento,

cambianrápidamente de posición.Movilidad:1) un lugar vecino vacío2) el átomo debe tener suficiente energía como para romper los

enlacescon átomos vecinos y distorsionar la red durante el

desplazamiento.

Difusión

Mecanismos de difusión1- Intercambio directoEste mecanismo es muy improbable, por la fuerte repulsión

de cortoalcance de los átomos, lo que prohíbe la ocupación de la

posición intermediadonde los dos átomos deberían estar a mitad de camino.

2- AnilloAquí las fuerzas repulsivas juegan un rol positivo, cada

átomo“empujando” a su vecino en el curso de una permutación

circular. Sin embargoeste mecanismo requiere la coordinación de varios saltos

atómicos, lo que haceque su ocurrencia sea improbable.

3- Difusión por vacantesMecanismo de difusión que implica el cambio de un átomo desde

unaposición reticular normal a uno vacante.Proceso necesita presencia de vacantes y la posibilidades de

difusión es función del numero de defectos que existan (T ºC)

El movimiento de los átomos van en sentido opuesto al de las vacantes.

La autodifusión y la interdifusión(átomos de soluto sustituyen a los de solvente) ocurren mediante

este mecanismo

Movimiento de un VacanteMecanismos de difusión átomo sustitucional.

Actividades de Aprendizaje

• Investigar los diferentes sistemas cristalinos

Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos:

• Investigar las diferentes imperfecciones de las estructuras cristalinas y no cristalinas.

DEFECTOS E IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión. Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así:

DEFECTOS PUNTUALES

Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la perdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede producirse durante la solidificación por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales.

Defectos Lineales ( Dislocaciones):Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo. Aunque en todos los materiales

hay dislocaciones presentes, incluyendo los materiales cerámicos y los polímeros, son de particular utilidad para explicar la deformación y el

endurecimiento de los metales. Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación de borde.

Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas, y la superficie externa de un material. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se altera el enlace atómico.