Estructuras Cristalinas Metálicas
- Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Tiene un átomo en cada uno de los vértices del cubo y otro en el interior de este. Posee en total 2 átomos por celdilla y su número de coordinación es 8. La longitud de la arista es a = 4R/√3.
- Cúbica centrada en las caras (FCC): Tiene un átomo en cada uno de los vértices y otro en el centro de cada una de las caras del cubo. Posee en total 4 átomos por celdilla y su número de coordinación es 12. La longitud de la arista es a = 4R/√2.
- Hexagonal compacta (HCP): La celda unidad es un prisma hexagonal de lado a y altura c. Hay átomos en cada uno de los vértices, en el centro de las caras basales y en el centro de las caras laterales. Posee un total de 6 átomos por celdilla y su número de coordinación es 12. La longitud de la arista es a = 2R.
Sólidos Cristalinos vs. Amorfos
Los sólidos cristalinos presentan ordenamiento a largo alcance (distribución regular de los átomos en las 3 dimensiones). Además, tienen un comportamiento anisótropo (sus propiedades cambian según la dirección de estudio) y puntos de fusión y solidificación definidos para una presión y temperatura determinadas.
Por el contrario, los materiales amorfos o vítreos presentan un ordenamiento de corto alcance (solo hasta sus primeros vecinos). Son isótropos, tienen puntos de fusión no definidos y sus átomos o moléculas poseen posiciones al azar.
Propiedades Estructurales
- Isomorfismo: Sustancias con diferente composición química pero misma forma cristalina, con ángulos interfaciales y relaciones axiales semejantes (ej. feldespatos).
- Polimorfismo: Habilidad de un material sólido para cristalizar en distintos sistemas cristalinos según la temperatura y la presión (ej. hierro: Feα, Feβ o Feγ).
- Alotropía: Capacidad de un elemento para cristalizar en distintos sistemas (ej. diamante y grafito en el carbono).
Imperfecciones en la Red Cristalina
Existen 3 tipos de imperfecciones según su geometría:
- Puntual (dimensión 0): Causadas por la ausencia o inserción de un átomo. Incluyen: vacante, sustitucional, intersticial, y los defectos de Schottky y Frenkel.
- Lineal (dimensión 1): También llamadas dislocaciones, se forman durante la solidificación y el enfriamiento. Tipos: dislocación de arista, de hélice y mixta.
- Superficiales (dimensión 2): Ocurren en los bordes de grano, regiones que delimitan cristales con distinta orientación. En estas zonas, el empaquetamiento es menor, permitiendo la intrusión de átomos externos.
Difusión Atómica
La difusividad o coeficiente de difusión (D) indica la velocidad de difusión atómica. Depende de:
- Mecanismo de difusión: Mayor en difusión intersticial que en sustitucional.
- Estructura cristalina: Mayor en estructuras BCC que en FCC debido al factor de empaquetamiento.
- Temperatura: A mayor temperatura, mayor energía y mayor difusividad.
- Concentración: A mayor concentración, mayor difusividad.
- Defectos cristalinos: Mayor en los límites de grano debido a un menor empaquetamiento.
Procesos de Solidificación
La solidificación consta de dos fases:
- Nucleación: Formación de núcleos estables en el metal fundido. Puede ser homogénea (poco común, requiere gran subenfriamiento) o heterogénea (más común, ocurre sobre impurezas o paredes del molde).
- Crecimiento de grano: Aumento de tamaño de los núcleos mediante difusión hasta formar la estructura policristalina.
Consideraciones sobre la Fragilidad
En aceros al carbono (estructura BCC), al bajar la temperatura, la resiliencia disminuye bruscamente, provocando una transición de un comportamiento dúctil a uno frágil. Este fenómeno es crítico en aplicaciones como los rompehielos.
Nucleantes
Son partículas sólidas insolubles añadidas al líquido para facilitar la formación de núcleos. Sus características son:
- Temperatura de fusión superior a la del metal líquido.
- Alta entropía de cambio de fase.
- Alta mojabilidad (ángulo de contacto cercano a 0°).