Estructuras Cristalinas

TEMA 2: ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Anisotropía

La direccionalidad de las propiedades se denomina anisotropía y está relacionada con la variación de la distancia atómica o iónica según la dirección cristalográfica. Las substancias cuyas propiedades son independientes de la dirección de medida se denominan isotrópicas.

Monocristalinos

Cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta, sin interrupciones, a lo largo de la muestra, el resultado es un monocristal. Todas las celdillas unidad están entrelazadas o unidas del mismo modo y tienen la misma dirección.

Policristalinos

La mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales pequeños o granos. Este tipo de material se denomina policristalino. La orientación cristalográfica varía de un grano a otro. También existe alguna irregularidad en la disposición atómica en la región donde se unen dos granos, llamado límite de grano.

Polimorfismo y Alotropía

Algunos metales pueden tener más de una estructura cristalina: fenómeno conocido como polimorfismo y si esto ocurre en un sólido elemental, alotropía. La existencia de una estructura cristalina depende de la presión y la temperatura exterior. Por ejemplo, el hierro puro a temperatura ambiente tiene una estructura BCC y cambia a FCC a 912º. La transformación va acompañada de modificaciones de la densidad y otras propiedades físicas.

Estructura FCC

Estructura cúbica centrada en las caras (FCC). La celdilla unidad se caracteriza por poseer sus átomos en los vértices y centros de las caras. La relación entre el parámetro de red (a) y el radio atómico (R) es: sqrt(2)*a = 4R. Cada celdilla tiene asociado 4 átomos. El número de coordinación es 12 y el FEA es en este caso 0,74.

Estructura BCC

Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Los átomos de los vértices se tocan con el del centro a través de la diagonal del cubo. De ahí la relación entre a y R: sqrt(3)*a = 4R. Cada celdilla tiene asociado 2 átomos. El NC es 8 y el FEA 0,68.

Estructura HC

Estructura hexagonal compacta (HC). La celda unidad consta de dos hexágonos regulares con sus átomos en los vértices y en el centro. Otro plano se sitúa en el centro aportando 3 átomos adicionales. Cada celdilla equivale a 6 átomos, la relación c/a = 1,633. El NC es 12 y el FEA de 0,74.

Celdilla Unidad

Se llama celda unidad a aquella entidad formada por un pequeño grupo de átomos que es capaz de describir la estructura cristalina.

Imperfecciones Cristalinas

TEMA 3: IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Defectos Puntuales

Vacantes y Auto-intersticiales

El defecto más simple es la vacante, que es un lugar normalmente ocupado por un átomo ahora ausente. Se producen durante la solidificación y como consecuencia también de las vibraciones. En equilibrio, el número de vacantes dependerá de: Nv=N*exp(-Qv/KT) donde N es el nº total de lugares ocupados por átomos, Qv es la energía vibracional requerida para la información de una vacante, T es temperatura absoluta y K es la constante de Boltzman o de los gases. El nº de vacantes crece con la temperatura. Un defecto autointersticial es un átomo de un cristal que se ha desplazado a un lugar intersticial, un pequeño espacio vacío que ordinariamente no está ocupado.

Defectos Lineales: Dislocaciones

Una dislocación es un efecto lineal o unidimensional entorno a algunos átomos desalineados.

• Dislocación de cuña o arista: Se produce al introducir unos semiplanos de átomos extra en el cristal. En la región afectada por la dislocación existe una red localmente distorsionada.
• Dislocación helicoidal: Se forma al aplicar un esfuerzo cizallante sobre el cristal de manera que un plano atómico produce una espiral sobre la dislocación.
• Dislocación mixta: Dislocación que existe mayoritariamente en los materiales cristalinos, contiene parte de dislocación de cuña y parte helicoidal.

Vector de Burgers: Indica la dirección y magnitud del deslizamiento de una dislocación sobre su plano de deslizamiento. En el caso de en cuña las orientaciones irán perpendiculares; en el caso helicoidal irán paralelas; y en el caso mixta no irán ni paralelas ni perpendiculares.

Defectos Interfaciales/Superficiales

Son límites de granos que tienen dos direcciones y normalmente separan regiones del material que tienen diferente estructura cristalina y/u orientación cristalográfica.

• Superficies externas: Representa el límite donde termina la estructura cristalina. Los átomos de la superficie tienen enlaces no completos, por lo que tienen la mayor energía que los átomos del interior del cristal.
• Límite de grano: Como el límite que separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos (ligeramente desordenado, baja densidad). El borde de grano de pequeño ángulo aparece cuando existe una distribución de dislocaciones que produce una pequeña desviación de la orientación cristalográfica.
• Límite de macla: Es un defecto que separa dos partes de un grano que tiene una pequeña diferencia en la orientación cristalográfica a través de una imagen especular. Se generan por desplazamientos atómicos al aplicar fuerzas mecánicas cizallantes (maclas mecánicas) o durante los tratamientos térmicos de recocido posteriores a la deformación (maclas de recocido).
• Otros: Defecto de apilamiento en FCC aparece cuando se interrumpe la secuencia ABCABCABC de apilamiento de planos átomos compactos.

Impurezas en Sólidos

No es posible conseguir un metal puro, consistente en átomos de un solo tipo. Las impurezas siempre están presentes y a veces existen como defectos cristalinos puntuales. La mayoría de los metales son aleaciones en las cuales se le añade intencionadamente átomos extraños para conseguir un metal de determinadas características.

Difusión

TEMA 4: DIFUSIÓN

Concepto de Difusión

Consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio. La movilidad atómica exige dos condiciones: Un lugar vacío y que el átomo tenga suficiente energía como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. Esta energía tiene naturaleza vibratoria.

Difusión por Vacantes (Sustitucional)

Es aplicable a impurezas sustitucionales, los átomos se intercambian por vacantes, y la velocidad depende del número de vacantes y la energía de activación del intercambio. Los átomos en la red poseen una energía vibracional dependiente de la temperatura.

Difusión Intersticial

Es aplicable a impurezas intersticiales, los átomos se intercambian por intersticios, la velocidad es más rápida que por vacantes y depende del tamaño de los intersticios y la energía de activación del intercambio.

Factores que Afectan a la Difusividad

El tipo de mecanismo de difusión (intersticial o sustitucional), la temperatura, el tipo de red cristalina (por ejemplo, la difusividad del C en Fe es mayor en BCC que en FCC porque esta última es más compacta), existencias de imperfecciones cristalinas (más rápidas en los bordes de granos que en la matriz) y la concentración de las especies que se difunden (altas concentraciones de soluto afecta positivamente a la difusividad).